- Что лучше – углекислота или сварочная смесь?
- Основные виды защитных газовых сварочных смесей
- Способы смешивания газа
- Применение ротаметра
- История открытия
- Аргон в природе
- Как добывают аргон
- Общая характеристика Ar
- Виды аргона
- Физические и химические свойства
- Атомная и молекулярная масса
- Изотопы
- Молекула и атом
- Молярная масса
- Область применения
- Зависимость давления аргона в баллоне от температуры
- Техника безопасности при работе с аргоном
В качестве защитных газов наиболее распространенными являются углекислота или сварочные смеси, от выбора которых во многом зависит рабочий процесс. Также не стоит забывать, что сварочная смесь или углекислота могут применяться для различных типов сварки и, соответственно, в том или ином случае эффективность и качество работ будут разными.
Очень часто сварщики не уделяют должного внимания составу и качеству технического газа, напрасно преуменьшая его вклад в процесс сварки. Однако практика показывает, что газовый состав самым непосредственным образом влияет на глубину проплавления, пористость, надежность шва, выделение дыма и другие не менее важные параметры.
Для надежного шва используйте качественные составы сварочной смеси или углекислоты
Что лучше – углекислота или сварочная смесь?
Углекислота — это единственное вещество, которое применяется в сварочном процессе без добавления инертных газов. Кроме того, это еще и один из самых недорогих вариантов, поэтому пользуется большой популярностью, если материальные затраты отыгрывают приоритетную роль. Углекислота является самым распространенным из химически активных элементов, которые используются в МАГ методе. Она обеспечивает достаточно большой тепловой эффект, что важно при обработке металлов большой толщины. Но при этом дуга является не слишком стабильной, что приводит к частому образованию брызг. Поэтому обычно его применение в чистом виде ограничивается работой на короткой дуге. Если Вас интересуют вопросы заправки углекислотой, то советуем прочитать статью углекислота: где заправить — вопрос не праздный.
Баллон с углекислотой для сварного аппарата
Учитывая то, что любой чистый технический газ имеет как свои преимущества, так и недостатки, использование защитных сварочных смесей в правильной пропорции зачастую делает сварку более эффективной, повышает производительность и позволяет добиться более качественных швов, благодаря следующим особенностям:
- снижение количества брызг;
- увеличение скорости наплавления металла;
- повышение пластичности и плотности шва;
- уменьшение задымленности;
- увеличение стабильности дуги.
Перед тем как определиться, что лучше – сварочная смесь или углекислота, сварщики обычно сопоставляют сложность работ, необходимое качество и целесообразность материальных затрат, после чего делают свой выбор.
Основные виды защитных газовых сварочных смесей
— Аргон и углекислота
Такой состав наиболее эффективен во время сварки низкоуглеродистой стали. Добавление углекислоты позволяет проще осуществлять струйный перенос электрода, швы получаются более пластичными, а вероятность появления пор минимальна.
Аргон и углекислота
— Аргон и кислород
Добавление в аргон незначительного (около 5%) количества кислорода дает возможность качественнее выполнять сварку легированной и низколегированной стали, благодаря меньшей пористости обрабатываемой поверхности.
Аргон и кислород
— Аргон и водород
Используется для сварки никелевых сплавов и аутентичной нержавеющей стали способом ТИГ. Кроме того, может применяться в качестве формовочного газа.
Аргон и водород
— Аргон и гелий
Такой состав позволяет осуществлять качественную сварку легких, медных и никелевых сплавов, хромоникелевой стали и алюминия методами МИГ и ТИГ.
— Аргон и активные газы
Благодаря данному сочетанию достигается двукратная экономия. Применяется для ручной и автоматической МАГ сварки низколегированных, легированных и высоколегированных сталей.
Аргон и активные газы
— Универсальный защитный газ
Это аргон высокой частоты, который имеет универсальное применение, но наиболее распространен при работе с алюминием и цветными металлами.
Универсальный защитный газ
Если вы хотите получить больше информации о газовых смесях, изучите этот раздел.
Способы смешивания газа
Существует два основных способа получения защитной газовой смеси – на заводе-производителе и непосредственно на рабочем посту.
Производственный метод подразумевает использование специальных газовых смесителей, благодаря которым осуществляется смешивание двух или трех различных компонентов. Для получения правильных пропорций подбираются необходимые диаметры в расходных отверстиях и тарируется сам смеситель.
Применение ротаметра
Самый простой способ смешивания, который можно осуществлять прямо на рабочем месте, заключается в применении ротаметра – конусообразной стеклянной трубки с поплавком, помещенной в каркас из металла. Принцип действия данного элемента заключается в уравновешивании алюминиевого или стального поплавка потоком выходящего газа. Чем выше находится поплавок, тем, соответственно, больше расход.
Состав аргонно-углекислотной сварочной смеси или углекислоты с кислородом регулируется при помощи редукторов на газовых баллонах. Контролируя показания на ротаметре и регулируя расход, добиваются необходимого соотношения используемых компонентов. Однако данный метод, как правило, не позволяет добиться максимальной точности и высокого качества шва. Поэтому для точных сварочных работ лучше обращаться на завод-производитель.
Качественные защитные газовые смеси можно заказать в компании Промтехгаз. Среди основной продукции присутствуют:
и другие составы, с которыми можно ознакомиться на сайте.
Аргон используется в качестве инертного защитного газа при дуговой сварке, в том числе в качестве основы защитной газовой смеси (с кислородом, углекислым газом). Является основной защитной средой при сварке алюминия, титана, редких и активных металлов.
Аргон также применяется при плазменной сварке в качестве плазмообразующего газа, при лазерной сварке в качестве плазмоподавляющего и защитного газа.
В зависимости от требуемых объемов потребления аргона могут использоваться несколько схем его обеспечения. При объеме потребления до 10 000 м 3 /г аргон обычно доставляют в баллонах. При объеме потребления свыше 10 000 м 3 /г аргон целесообразно перевозить в жидком виде в специальных емкостях железнодорожным или автомобильным транспортом. При транспортировке по железной дороге применяются специализированные цистерны 8Г-513 или 15-558. На автомобильном транспорте наиболее часто устанавливаются универсальные газовые емкости типа ЦТК объемом от 0,5 до 10 м 3 . В этих емкостях также могут транспортироваться кислород и азот.
При централизованном снабжении схемы обеспечения сварочных постов аргоном могут быть следующими:
- непосредственно от транспортной емкости через перекачивающий насос и стационарный газификатор в сеть (см. рисунок ниже);
- от транспортной емкости в стационарную емкость с дальнейшей газификацией и подачей в сеть;
- заполнение баллонов от транспортной газификационной установки.
Рисунок. Снабжение аргоном сварочных постов от транспортной емкости
| Защитные газовые смеси |
Наиболее распространенными при сварке являются следующие защитные газовые смеси:
Смесь аргона с углекислым газом Применение смеси аргона и углекислого газа (обычно 18-25%) эффективно при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей. По сравнению со сваркой в чистом аргоне или углекислом газе более легко достигается струйный перенос электродного металла. Сварные швы более пластичны, чем при сварке в чистом углекислом газе. По сравнению со сваркой в чистом аргоне меньше вероятность образования пор. Смесь аргона с кислородом Газовая смесь аргона с кислородом обычно используется при сварке легированных и низкоуглеродистых сталей. Добавление к аргону небольшого количества кислорода позволяет предотвратить пористость. Смесь углекислого газа с кислородом При добавлении к углекислому газу кислорода снижается разбрызгивание при сварке, улучшается формирование шва, увеличивается выделение тепла, что в некоторой степени повышает производительность сварки. С другой стороны, в результате повышенного окисления ухудшаются механические свойства швов. Смешивание газов Обычно газовые смеси приготавливают непосредственно на сварочных постах, однако также применяются многопостовое снабжение газовыми смесями и получение смесей на заводе-производителе. Простейший способ смешения газов основан на использовании ротаметров. Состав смеси регулируется за счет изменения расхода газов с помощью редукторов, установленных на баллонах с газами. Соотношение газов определяется заранее проградуированным ротаметром по положению поплавка. Ротаметр состоит из конусной стеклянной трубки, помещенной в металлический каркас. Внутри стеклянной трубки размещен поплавок из алюминия, эбонита или коррозионно-стойкой стали (см. рисунок ниже). |
Рисунок. Ротаметр поплавкового типа
Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании веса поплавка выходящей струей газа. Чем выше поднимается поплавок, тем больший кольцевой зазор между его боковыми поверхностями и стеклянной трубкой и, следовательно, больше расход газа.
На производстве используют более удобные газовые смесители для получения двойных и тройных смесей. Например, стандартный смеситель УКП-1-71 предназначен для смешивания углекислого газа и кислорода в соотношении 70% + 30%. Для получения других газов и других соотношений необходимо подобрать соответствующие диаметры отверстий в расходных дюзах и протарировать смеситель.
Фото. Газовый смеситель MG 50/100-2 ECO
| Ацетилен |
Ацетилен – бесцветный горючий газ C2H2 с атомной массой 26,04, немного легче воздуха. Обладает резким запахом. В промышленности ацетилен обычно получают из карбида кальция (CaC2) при разложении последнего водой. Ацетилен самовоспламеняется при температуре 335°С, смесь ацетилена с кислородом воспламеняется при температуре 297–306°С, смесь ацетилена с воздухом – при температуре 305–470°С. Ацетилен взрывоопасен при следующих условиях:
Взрыв ацетилена способен вызвать значительные разрушения и тяжелые несчастные случаи: при взрыве 1 кг ацетилена выделяется примерно в два раза больше тепла, чем при взрыве 1 кг тротила и примерно в 1,5 раза больше, чем при взрыве 1 кг нитроглицерина. Меры безопасности при работе с ацетиленом
Применение ацетилена при сварке Ацетилен – основной горючий газ, используемый при газовой сварке, а также широко применяется для газовой резки (кислородной резки). Температура ацетилено-кислородного пламени может достигать 3300°C. Благодаря этому ацетилен по сравнению с более доступными горючими газами (пропан-бутаном, природным газом и др.) обеспечивает более высокое качество и производительность сварки. Снабжение постов ацетиленом для газовой сварки и резки может осуществляться
Для хранения ацетилена обычно используются стандартные баллоны емкостью 40 л, окрашенные в белый цвет, с надписью «Ацетилен» красного цвета (ПБ 10-115-96, ГОСТ 949-73). Согласно ГОСТ 5457-75 для газопламенной обработки металлов применяется технический ацетилен растворенный марки Б и газообразный. |
Таблица. Характеристики марок технического ацетилена (ГОСТ 5457-75), используемого при сварке и резке.
| Параметр | Ацетилен технический | ||
| растворенный марки Б | газообразный | ||
| первого сорта | второго сорта | ||
| Объемная доля ацетилена C2H2, %, не менее | 99,1 | 98,8 | 98,5 |
| Объемная доля воздуха и других газов, малорастворимых в воде, %, не более | 0,8 | 1,0 | 1,4 |
| Объемная доля фосфористого водорода PH3, %, не более | 0,02 | 0,05 | 0,08 |
| Объемная доля сероводорода H2S, %, не более | 0,005 | 0,05 | 0,05 |
| Массовая концентрация водяных паров при давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) и температуре 20°С, г/м 3 , не более | 0,5 | 0,6 | не нормируется |
| что соответствует температуре насыщения, не выше (°C) | -24 | -22 |
Баллоны заполнены пористой массой, пропитанной ацетоном. Ацетилен хорошо растворяется а ацетоне: при нормальной температуре и давлении в 1 л ацетона растворяется 23 л ацетилена (в 1 л бензина растворяется 5,7 л ацетилена, в 1 л воды – 1,15 л ацетилена). Пористая масса выполняет следующие функции:
- повышает безопасность при работе с баллоном – за счет пористой массы общий объем ацетилена разделен на отдельные ячейки; таким образом, вероятность распространения общего фронта горения и взрыва значительно уменьшается;
- позволяет повысить количество ацетилена в баллоне, ускорить процесс его растворения при заполнении баллона и выделении при отборе газа – поскольку при использовании пористой массы, пропитанной ацетоном, обеспечивается большая поверхность взаимного контакта между газом и ацетоном.
В качестве пористых масс могут применяться активированный уголь, пемза, волокнистый асбест.
Таблица. Допустимое давление газа в баллоне в зависимости от температуры (при номинальном давлении 1,9 МПа / +20°С) (ГОСТ 5457-75)
| Температура, °С | -5 | +5 | +10 | +15 | +20 | +25 | +30 | +35 | +40 | |
| Давление в баллоне, не более | МПа | 1,34 | 1,4 | 1,5 | 1,65 | 1,8 | 1,9 | 2,15 | 2,35 | 2,6 |
| кгс/см 2 | 13,4 | 16,5 | 21,5 | 23,5 |
Таблица. Остаточное давление газа в баллоне, поступающем от потребителя (ГОСТ 5457-75)
| Температура, °С | до 0 | от 0 до +15 | от +15 до +25 | от +25 до +35 | |
| Остаточное давление в баллоне, не менее | МПа | 0,05 | 0,1 | 0,2 | 0,3 |
| кгс/см 2 | 0,5 |
40-литровые баллоны с максимальным давлением газа 1,9 МПа при температуре 20°С обычно заполняют 5–5,8 кг ацетилена (4,6–5,3 м 3 газа при температуре 20°С и давлении 760 мм рт. ст.). Масса ацетилена в баллоне определяется по разности масс баллона до и после наполнения газом. Объем ацетилена равен отношению его массы и плотности. Так, объем 5,5 кг ацетилена при температуре 20°С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 5,5/1,09 = 5,05 м 3 .
Таблица. Сравнительные характеристики ацетилена, пропана и метилацетилен-алленовой фракции (МАФ)
| Параметр | ацетилен | пропан | МАФ |
| Чувствительность к удару, безопасность | нестабилен | стабилен | стабилен |
| Токсичность | незначительная | ||
| Предел взрываемости в воздухе (%) | 2,2–81 | 2,0–9,5 | 3,4–10,8 |
| Предел взрываемости в кислороде (%) | 2,3–93 | 2,4–57 | 2,5–60 |
| Температура пламени (°С) | 2927 * | ||
| Реакции с обычными металлами | избегать сплавов, содержащих более 70% меди | незначительные ограничения | избегать сплавов, содержащих более 65–67% меди |
| Склонность к обратному удару | значительная | незначительная | незначительная |
| Скорость сгорания в кислороде (м/с) | 6,10 | 3,72 | 4,70 |
| Плотность газа (кг/м 3 ) | 1,17 (при 0°С) 1,09 (при 20°С) | 2,02 (при 0°С) | 1,70 (при 0°С) * |
| Плотность в жидком состоянии при 15,6°С (кг/м 3 ) | – | ||
| Отношение расхода кислорода к горючему газу (м 3 /м 3 ) при нормальном пламени | 1–1,2 | 3,50 | 2,3–2,5 |
| * – данные ОАО «Нафтан» Завод «Полимир» (г. Новополоцк, Беларусь), производителя МАФ |
| Пропан-бутан |
| Пропан-бутан – смесь двух нефтяных углеводородных газов, пропана C3H8 и бутана C4H10. Пропан-бутановая смесь в газообразном состоянии является бесцветной, не ядовитой, тяжелее воздуха, обладает резким запахом от одорантов – сильнопахнущих веществ, добавляемых в газ для обнаружения возможной утечки. При понижении температуры и повышении давления смесь переходит в жидкое состояние. Пропан технический состоит из пропана C3H8 с примесью пропилена C3H6 и представляет собой бесцветный газ с резким запахом от одорантов. Бутан C4H10 обладает большей теплотворной способностью, чем пропан, однако имеет более высокую температуру начала газообразования (-0,5 °С у бутана и -42°С у пропана). В связи с этим при температуре ниже -0,5°С отбор газообразного бутана не представляется возможным. Смесь с содержанием бутана от 5 до 30% (с преобладанием пропана) имеет повышенную теплотворную способность и может использоваться в условиях холодного климата с температурой окружающей среды примерно до -25°С. Пропан-бутановые смеси получают в качестве попутных при добыче природного газа, переработке нефти и нефтепродуктов. Баллоны стальные сварные с пропаном (пропан-бутаном) согласно ГОСТ 15860-84, ГОСТ 949-73 окрашивают в красный цвет, с надписью «Пропан» («Пропан-бутан») белого цвета. Давление газа в баллоне до 1,6 МПа. При испарении 1кг жидкого пропана образуется около 530 л газа, при испарении 1 кг жидкого бутана – около 460 л газа. |
Опасные факторы и меры безопасности при работе с пропан-бутаном (согласно ГОСТ 20448-90):
Аргон (обозначается как Ar) — наиболее часто встречающийся в воздухе инертный газ. Он отличается полной химической инертностью. Это свойство позволяет широко применять газ в таких областях, как сварка, упаковка, производство материалов высокой чистоты, а также для тушения пожаров.
История открытия
Предыстория открытия Ar началась в 1785 году. Выдающийся ученый и естествоиспытатель из Великобритании Генри Кэвендиш исследовал состав воздуха. Он подвергал азот окислению и взвешивал получившиеся окислы. По окончании опыта в сосуде оставался газ. Кэвендиш определил его объем в 0,8% от начального объема воздуха.
Состав этого газа ученый определить не смог. Спустя столетие к проблеме вернулись сэры Джон Рэлей и Уильям Рэмзи. В ходе проведенных опытов они обнаружили, что азот, выделенный из воздуха, имеет большую плотность, нежели азот, получаемый в ходе реакции разложения нитрита аммония.
в 1884 году им удалось выделить из воздуха некий газ, более плотный, чем азот. Это вещество имело одноатомную молекулярную структуру и было крайне инертным — т.е. не реагировало с другими веществами.
На заседании Королевского Общества новому газу было присвоено название «аргон», что в переводе с древнегреческого значило «спокойный, ленивый»
Аргон в природе
Ввиду практически полной инертности Ar представлен в естественной среде исключительно в несвязанном виде. Его процентная доля в различных частях Земли равна приблизительно:
- земная кора — 0,00012%;
- морская вода — 0,00045%;
- атмосфера — 0,926%.
Доля Ar в воздухе выше, чем суммарная доля всех остальных инертных газов. Основным источником для его добычи служит наша атмосфера.
Содержание газов в атмосфере
В коре Земли аргон содержится также в виде радиоактивного изотопа Аргон-40 и появляется в ходе реакции распада изотопов Калия.
Современная наука вместе с остальными инертными газообразными элементами относит Ar к VIII группе периодической системы.
Как добывают аргон
Благодаря значительному с промышленной точки зрения содержанию аргона в воздухе его получают в качестве дополнительного продукта криогенной ректификации O2 и N2.
Технология основана на том факте, что температура кипения (или сжижения) Ar лежит между температурами N2 и O2.
Перед началом процесса воздух подвергается тщательной очистке от пыли в многоступенчатых фильтрах, осушается от водяных паров, а далее мощными компрессорами сжимается до тех пор, пока не перейдет в жидкое состояние. Жидкость перегоняют в ректификационной колонне, чтобы разделить ее на отдельные вещества.
Установка для добычи аргона
Первым испаряется азот при -195 °С, его пары собираются на соответствующей тарелке ректификатора и отводятся в отдельный резервуар. Следующим по высоте (и при температуре кипения -185 °С) отбирается аргонная фракция, содержащая 12% Ar, менее полпроцента азота и кислород. Она подается в следующую ректификационную колонну, в которой процентная доля Ar доводится до 85, оставшееся приходится на кислород со следами азота. Такое вещество называется сырым аргоном, исходным материалом для получения очищенного газа.
В промышленности применяется несколько методов очистки сырого аргона от примесей.
Водород, добавляемый в состав сырья, окисляется на катализаторе и нагреве до 500 °С, таким образом, из состава смеси выводится кислород. Образовавшийся на катализаторе водяной пары удаляют при посредстве влагоотделителя. Газ после этого осушают. Аргон с оставшимся в нем азотом вновь ректифицируют.
Применяются и альтернативные методы получения Ar. Во время синтеза аммиака из азота и водорода в химических реакторах Ar получают как сопутствующий продукт производства. Технологический компонент это синтеза — продувочный газ — содержит до 20% Ar. Из этого газа и извлекают самый спокойный элемент. Стоимость производства, складывающаяся в основном из затрат на охлаждение и нагрев компонентов, делится между аммиаком и аргоном, и получается существенно ниже.
Качество газа, получаемого любым методом, определяется технологией очистки его от небольших количеств остаточного N2, O2, водяных паров и H2.
Аппарат, получающий ионные пучки аргона
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.
Виды аргона
Говоря о видах, или сортах Ar, надо понимать, что это одно и то же химическое вещество. Виды различаются по степени очистки от примесей.
- Высший сорт. Содержание Ar не менее 99,99% . Этот сорт особо высокой чистоты применяется для ответственных сварочных работ, таких, как сварка материалов, химически активных в нагретом состоянии: некоторые цветные сплавы, прежде всего титановые, нержавеющая сталь и др. Используется также для сварки высоконагруженных изделий из конструкционной стали.
- Первый сорт. Содержание Ar не менее 99,98%, Применяется при сварке сплавов на основе алюминия с другими металлами и сплавами, для менее активных цветных металлов.
- Второй сорт. Содержание Ar не менее 99,95%. Используется при сваривании деталей из жаростойких стальных сплавов, алюминия и конструкционных сталей. Применение чистого Ar в этих случаях нежелательно, поскольку приводит к повышенной пористости материала шва и не позволяет защитить сварочную ванну от повышенной влажности и других загрязнений. Во избежание возникновения такого дефекта в состав смеси защитных газов добавляют углекислый газ и кислород, связывающие выделяющийся при сварке водород и другие примеси. Образующиеся в ходе этих реакций шлаки всплывают на поверхность сварочной ванны и после застывания удаляются вместе с окалиной.
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/м 3 . 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.
Как степень окисления, так и электродный потенциал имеют нулевое значение, что характерно для инертного газа.
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
- 36 Ar– процентная доля этого изотопа составляет 0,337% в ядре 18 протонов и 18 нейтронов;
- 38 Ar- его доля всего 0,063%, в ядре 18 протонов и 20 нейтронов;
- 40 Ar – 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 39 Ar, период полураспада которого составляет 268 лет.
Большая процентная доля 40 Ar 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 40 Ar. 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.
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.
проведя преобразования, получим выражение для молярной массы:
- 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).
Область применения
Шире всего аргон применяется при сварочных работах. Он используется для создания защитной атмосферы вокруг сварочной ванны, вытесняя из рабочей зоны O2 и N2, содержащиеся в атмосфере. Особенно важно это для сварки цветных металлов, многие из которых, к примеру, Ti, отличаются высокой химической активностью в нагретом состоянии. Незаменим инертный газ также для неразъемного соединения нержавеющих и высоколегированных сплавов.
Также широко применяется при монтаже высоконагруженных строительных конструкций, таких, как каркасы высотных зданий, фермы мостов и многих других. Здесь его применение обеспечивает высокое качество, однородность и долговечность ответственных соединений. В строительной индустрии аргонная сварка доминирует среди других методов.
Не менее широко применяется аргонная сварка в машиностроении, прежде всего химическом и пищевом. Швы получаются долговечные и надежные, даже в условиях воздействия агрессивных сред.
Нефтяная и газовая отрасли также применяют аргонная сварку при монтаже трубопроводов, газоперекачивающих станций и нефтеперегонных комбинатов.
Используется метод также в атомной промышленности, в транспортном машиностроении и в аэрокосмической отрасли.
В домохозяйствах аргонная сварка распространена не так широко. Это объясняется:
- высокой стоимостью оборудования и расходных материалов;
- необходимостью достаточной квалификации сварщика;
- меньшими нагрузками, испытываемыми домашними конструкциями;
- более низкими требованиями к прочности и долговечности сварных соединений.
Если в домохозяйстве возникает эпизодическая потребность в таких сварочных работах, то дешевле, быстрее и надежнее пригласить сварщика-специалиста.
Характерным свойством Ar является его более высокая плотность по сравнению с воздухом. Поэтому максимальная эффективность аргонной сварки достигается при нижнем сварочном положении. В этом случае инертный раз растекается по поверхности детали и образует защитное облако значительной протяженности, позволяя вести сварку, как большими токами, так и на большой скорости. При сварке в наклонном и верхнем положении приходится учитывать «проваливание» аргона сквозь воздух. Чтобы компенсировать это явление, либо увеличивают подачу газа, либо проводят работы в герметичном помещении, заполненным инертным газом. В обоих случаях себестоимость работ возрастает.
Поскольку потенциал ионизации Ar невысок, его использование обеспечивает идеальные геометрических характеристик сварочного шва, прежде всего, профиля. Возбужденная электродуга в аргоновой атмосфере также отличается высокой стабильностью своих параметров. С другой стороны, низкое значение потенциала ионизации обуславливает и более низкое напряжение розжига и поддержания дуги. Это сокращает ее тепловыделение и усложняет провар толстых листов металла.
Более высокая температура дуги в аргоновой атмосфере существенно повышает проплав сварочного шва. Это позволяет проводить сварку за один проход при условии точного соблюдения параметров зазора между заготовками.
В случае применения TIG-метода сварочных работ аргоновая атмосфера защищает от коррозионного влияния не только зону сварки, но и окончание неплавкого электрода.
В ряде специфических случаев в состав защитной газовой смеси добавляют гелий.
Кроме применения при сварочных работах, аргон используется:
- Как плазмоообразующее веществона установках плазменного раскроя металла.
- Для создания инертной среды в упаковках пищевых продуктов. Он вытесняет из пакетов и контейнеров кислород воздуха и водяные пары, пагубно влияющие на срок годности продуктов. Продукты в защитной атмосфере хранятся в несколько раз дольше, чем в обычной упаковке. Применяется этот метод и для упаковки медицинских изделий и препаратов, позволяя сохранить их в должной стерильности и химической чистоте.
- В качестве активного агента в противопожарных установках. Аргон вытесняет кислород (или другой газ) из очага горения, прекращая его.
- Для создания защитной среды в технологических установках при обработке полупроводниковых устройств, создании микросхем и других электронных компонентов или материалов высоких степеней чистоты.
- Наполнитель электроламп.
- В рекламных люминесцентных трубках.
Зависимость давления аргона в баллоне от температуры
По мере нагрева давление газообразного вещества в замкнутом объеме повышается. В таблице приведены примерные значения давления в баллоне в зависимости от температуры окружающего воздуха.
| T, °C | P, Мегапаскаль |
| -40 | 10,45 |
| -30 | 11,33 |
| -20 | 12,21 |
| -10 | 12,92 |
| 0 | 13,74 |
| +10 | 14,62 |
| +20 | 15,33 |
| +30 | 16,03 |
Следует учитывать, что баллонное давление изменяется не мгновенно, а по мере его прогрева или охлаждения.
Техника безопасности при работе с аргоном
Сам по себе не являясь ядовитым, аргон при неправильном использовании может нанести серьезный вред здоровью или даже создать угрозу жизни.
Аргон замещает кислород воздуха и создает смесь, непригодную для дыхания. Человек может пострадать или даже погибнуть от удушья. Сжиженный аргон имеет очень низкую температуру и при контакте с незащищенной кожей приводит к тяжелым обморожениям.
Газоразрядная трубка с аргоном
Во избежание неприятных последствий при работе с газом следует неукоснительно соблюдать следующие правила:
- При работе в атмосфере аргона обязательно использовать изолирующий противогаз.
- При работе на полуавтоматах с подачей аргона обеспечить вентиляцию рабочей зоны.
- Использовать газоанализатор, содержание кислорода в воздухе должно быть не ниже 19%.
- Спецодежда должна полностью закрывать коду, быть чистой и целой.
Перед началом работы также следует осмотреть баллоны, шланги и запорную арматуру на предмет отсутствия механических повреждений и утечек газа.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.