Идея создания сварочного дугового разряда в инертном газе принадлежит Н. Н. Бенардосу; он заявил ее в одном из своих патентов. Однако прошло много времени, прежде чем этот процесс стали широко использовать в технике.
Интенсивное развитие этого вида сварки началось тогда, когда возникла потребность сварки такого активного металла, как алюминий и его сплавы. Ни один из известных видов сварки (электродами, под флюсом) не приводил к положительным результатам, а сварка ацетилено-кислородным пламенем была малопроизводительной и тоже не обеспечивала хорошего качества сварных соединений.
Трудной задачей был выбор газов для создания защиты зоны сварки от воздушной атмосферы.
Металлы при температурах плавления проявляют очень высокую химическую активность, образуя соединения с газами, составляющими атмосферу дугового электрического разряда.
Так, например, азот — инертный газ при обычных температурах — в дуговом разряде начинает реагировать с железом, титаном, алюминием, образуя с ними нитриды, присутствие которых в металле шва резко снижает пластические свойства сварных соединений и способствуют образованию трещин. Только одна медь не реагирует с азотом в этих условиях.
Поэтому чистый азот можно применять как защитный газ при сварке меди.
Не реагируют с металлами в условиях сварки только аргон и гелий, однако это дорогие защитные газы. Аргон содержится в воздухе в количестве менее 1%, его выделяют методами глубокого охлаждения при фракционном испарении жидкого воздуха. Гелия в атмосфере почти нет и его получают из некоторых природных газов.
Применение инертных газов для защиты зоны сварки целесообразно только при. сварке высокоактивных металлов — алюминия и его сплавов, титана и его сплавов и тугоплавких металлов (вольфрам, ниобий, молибден), так как для них других защитных газов подобрать нельзя.
Для сталей можно применять в качестве защитного газа углекислый газ.
По отношению к железу углекислый газ выступает как сильный окислитель:
но ликвидировать последствия окисления сварочной ванны можно, применяя сильные раскислители — марганец и кремний, которые подают через электродную проволоку 10Г2С, содержащую почти 2% Мп и до 1% Si. Соединяясь с кислородом, растворенным в виде закиси железа, они восстанавливают металл сварочной ванны и уходят в шлак в виде окислов (МпО, Si02).
По физическим свойствам углекислый газ подходит для защиты зоны сварки, так как он имеет большую плотность и хорошо вытесняет атмосферу воздуха из зоны сварки С02 легко переходит в жидкое состояние (его критическая температура 31оС) и в баллонах он находится в жидком виде под давлением около 70 ат.
Сварка в углекислом газе плавящимся электродом из легированной проволоки сразу получила широкое применение в промышленности и судостроении. Этот способ позволяет сваривать металл в различных пространственных положениях, обладает высокой производительностью и легко поддается автоматизации.
Кроме того, защитный газ недорогой, его цена определяется степенью его очистки и осушки, так как он получается в качестве побочного продукта энергетических установок (сжигание угля).
За разработку технологии и оборудования, а также за широкое внедрение этого высокопроизводительного и экономичного вида сварки в промышленность авторы были удостоены Ленинской премии.
Для сварки низкоуглеродистой стали в неответственных конструкциях можно применять в качестве защитной среды перегретый водяной пар — наиболее дешевый вид защитного газа (Л. С. Сапиро).
Водяной пар также окисляет металл:
но, применяя легированную проволоку, можно удалить кислород из сварочной ванны так же, как и в случае сварки в углекислом газе. Ухудшение качества сварки вызывает водород, который, частично растворясь в металле, может вызвать образование пор и сильно снизить пластические свойства металла.
Однако из низкоуглеродистой стали он постепенно уходит за счет процессов диффузии, и пластические свойства сварного соединения вновь повышаются («вылеживание»).
Поэтому в перегретом паре нельзя сваривать конструкции и детали, которые сразу воспринимают эксплуатационные нагрузки. Хотя перегретый водяной пар наиболее дешевый защитный газ, его применение весьма ограничено.