-
Podstawowe zagadnienia dotyczące procesu spawania elektrodą
nietopliwą w osłonach gazów (metoda TIG) Zastosowanie metody TIG
Obecnie spawanie metodą TIG jest jednym z podstawowych procesów
wytwarzania konstrukcji, zwłaszcza ze stali wysokostopowych, stali
specjalnych, stopów niklu, aluminium, magnezu, tytanu i innych.
Spawać można w szerokim zakresie grubości złączy, od dziesiętnych
części mm do nawet kilkuset mm. Spawanie TIG prowadzone może być
prądem stałym lub przemiennym. Zaletą spawania metodą TIG jest
uzyskiwanie wysokiej jakości złączy spawanych, natomiast wadą jest
czasochłonność wykonania spawów która jest nawet 3-4 razy większa
niż w metodach MIG czy MAG. Technika spawania w metodzie TIG Łuk
jarzy się między końcem elektrody wolframowej, a metalem rodzimym
złącza (rys. 4.7).
Elektroda się nie stapia, a spawacz utrzymuje stałą długość
łuku. Wartość na-tężenia prądu jest
nastawiana na źródle prądu. Spoiwo zwykle jest dostępne w
postaci drutu o długości 1m.
Doprowadza się je w miarę potrzeby do przedniego brzegu
jeziorka. Jeziorko jest osłaniane przez
gaz obojętny wypierający powietrze z obszaru łuku. Jako gaz
ochronny najczęściej stosowany jest
argon.
Rys. 4.7 Schemat spawania w metodzie TIG Źródło:
http://netspaw.pl/metody-spawania-podstawy,39.html
W procesie spawania łukowego elektrodą nietopliwą w osłonie
gazowej, połączenie
spawane uzyskuje się przez stopienie metalu spawanych
przedmiotów i materiału dodatkowego
ciepłem łuku elektrycznego jarzącego się pomiędzy nietopliwą
elektrodą i spawanym
przedmiotem w osłonie gazu obojętnego lub redukcyjnego. Jest to
"najczystszy" z wszystkich
procesów spawania łukowego, porównywany z metalurgicznego punktu
widzenia do
-
mikroodlewania łukowego w osłonach gazowych. Elektroda
nietopliwa wykonana jest z
wolframu i zamocowana jest w specjalnym uchwycie palnika,
umożliwiającym regulację
położenia elektrody i jej wymianę. Koniec elektrody wystaje poza
dyszę gazową od kilku do
nawet kilkudziesięciu milimetrów, w zależności od warunków
technologicznych spawania.
Powłoka gazu ochronnego, podawana przez dyszę palnika wokół
elektrody nietopliwej, chłodzi
elektrodę i chroni ciekły metal spoiny i na-grzaną strefę
spawania łączonych przedmiotów przed
dostępem gazów z atmosfery. Jeziorko ciekłego metalu tworzone
jest bez udziału topnika, nie
ma więc wtrąceń niemetalicznych w spoinie i na jej powierzchni,
a stopienie materiału
rodzimego i dodatkowe-go odbywa się bez istotnych zmian w
składzie chemicznym.
Równocześnie nie ma rozprysku metalu, typowego dla innych
procesów spawania łukowego, a
możliwości podawania z zewnątrz łuku materiału dodatkowego,
pozwala na niezależne
sterowanie energią liniową łuku i ilością podawanego do obszaru
spawania materiału
dodatkowego. Przepływ prądu w łuku odbywa się w zjonizowanym
gazie, a głównymi nośnikami
prądu są elektrony wybite z atomów gazu ochronnego. Zajarzenie
łuku może odbywać się przez
krótkotrwałe zwarcie elektrody nietopliwej z specjalną płytką
(węglową podkładką) startową i
szybkie jej cofnięcie lub zastosowanie łuku pomocniczego między
elektrodą a spawanym
przedmiotem, utworzonego w wyniku przepływu prądu o małym
natężeniu i wysokiej
częstotliwości oraz wysokim napięciu.
Parametry spawania
Podstawowymi parametrami spawania TIG są: - rodzaj i natężenie
prądu,
- napięcie łuku,
- prędkość spawania,
- rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego,
- rodzaj materiału i średnica elektrody nietopliwej,
- średnica (wymiary) materiału dodatkowego.
Spawanie TIG przeprowadzone może być prądem stałym oraz prądem
przemiennym. Spawanie prądem stałym - przebiegać może z
biegunowością dodatnią lub ujemną. Gdy elektroda podłączona jest do
bieguna dodatniego (biegunowość dodatnia) to, aby przenieść
natężenie prądu z biegunowością dodatnią, elektroda musi mieć
znacznie większą średnicę niż przy podłączeniu do bieguna ujemnego.
Ten rodzaj spawania stosowany jest przy spawaniu w osłonie argonu
lub helu prawie wszystkich metali i stopów z wyjątkiem cienkich
blach z aluminium i jego stopów.
Spawanie prądem stałym z biegunowością ujemną na elektrodzie
wolframowej stoswane jest natomiast przy spawaniu miedzi i stali
nierdzewnych, dzięki czemu następuje szybsze nagrzewanie i topienie
spawanych blach. Spawanie prądem przemiennym -pozwala na
wykorzystanie zalety spawania prądem stałym z biegunowością
dodatnią (zjawisko rozpylania powierzchniowej warstwy tlenków) bez
specjalnych ograniczeń prądowych, wymaganych przy spawaniu prądem
stałym z biegunowością dodatnią. Gorsza jest jednak stabilność
łuku. Zastosowanie przy spawaniu aluminium i magnezu oraz stopów
tych metali.
Spawanie prądem przemiennym z podłączeniem elektrody do bieguna
dodatniego stosowane jest natomiast przy spawaniu aluminium. Przy
takim podłączeniu dodatnie ładunki argonu silniej bombardują
tworzącą się warstewkę tlenków aluminium Al2O3 a jednocześnie
elektrony wychodzące z metalu spawanego rozbijają warstewkę
tlenków,
-
która w stanie rozpylonym wyparowuje i ulatnia się. Taki sposób
podłączenia powoduje jednak świadome z naszej strony szybsze
eksploatowanie elektrody wolframowej.
Natężenie prądu - decyduje o głębokości wtopienia i szerokości
spoiny, ale z drugiej strony oddziałuje na temperaturę końca
elektrody nietopliwej. Wzrost natężenia prądu spawania zwiększa
głębokość wtopienia i umożliwia zwiększenie prędkości spawania.
Nadmierne natężenie prądu powoduje, że koniec elektrody wolframowej
ulega nadto-pieniu i pojawia się niebezpieczeństwo powstania
wtrąceń metalicznych w spoinie.
Napięcie łuku - decyduje w zależności od rodzaju gazu ochronnego
o długości łuku oraz o kształcie spoiny i ściśle zależy od
zastosowanego natężenia prądu oraz rodzaju materiału elektrody.
Wzrost napięcia łuku zwiększa szerokość lica spoiny, maleje przy
tym głębokość wtopienia i pogarszają się warunki osłony łuku i
ciekłego metalu spoiny. Ar-gon ma niski potencjał jonizacyjny -15,7
V, łuk jarzy się więc bardzo stabilnie.
Prędkość spawania - przy stałym natężeniu prądu i napięciu łuku,
decyduje o energii liniowej spawania, a więc ilości wprowadzanego
ciepła do obszaru złącza. Przez zmianę prędkości spawania regulować
można nie tylko przemiany strukturalne w złączu, ale wielkość i
rozkład naprężeń i odkształceń spawalniczych. Prędkość spawania
wpływa równocześnie na głębokość przetopienia i szerokość spoiny
parametr ten jest również ważny z uwagi na koszt procesu spawania.
W przypadku spawania ręcznego TIG prędkość spawania jest parametrem
wynikowym, zależnym od umiejętności operatora oraz wymaganego
kształtu ściegu spoiny, przy danym natężeniu prądu i napięciu łuku.
Łuk spawalniczy w metodzie TIG
Łuk elektryczny spawalniczy jest formą wyładowania elektrycznego
w atmosferze gazów, czyli zbiorem procesów elektrofizycznych i
cieplnych, zachodzących między elementami obwodu elektrycznego
(anodą i katodą). Jego cechą charakterystyczną jest zdolność
przewodzenia prądu elektrycznego o dużej gęstości (rzędu 105 do
1010A/mm2), czemu towarzyszy wydzielanie dużej ilości ciepła. Do
celów spawalniczych stosuje się wyładowanie łukowe wysokoprądowe.
Typowe wartości natężenia prądu łuku zawierają się w granicach od
kilku do ok. 1000 A.
-
W przypadku procesu spawania elektrodą nietopliwą (rys. 4.8 )
natężenie prądu nie
przekracza z reguły wartości 500 A.
Rys.4.8 Schematyczne przedstawienie łuku spawalniczego w
metodzie TIG Źródło:
http://winntbg.bg.agh.edu.pl/rozprawy2/10223/full10223.pdf
Podstawowe gazy ochronne stosowane w metodzie TIG Gazy ochronne
do spawania TIG (tab. 4.2), to gazy obojętne Ar i He lub ich
mieszanki z ewentualnym dodatkiem H2, niekiedy do gazu obojętnego
dodawany jest azot, którego zadaniem jest podwyższenie temperatury
łuku i umożliwienie dzięki temu spawania z dużymi prędkościami
miedzi i jej stopów, często bez podgrzania wstępnego. Inne
reaktywne gazy ochronne, jak np. CO2, powodują szybkie zużycie
elektrody lub niestabilne jarzenie się łuku. W żadnym wypadku nie
należy stosować dodatku CO2 lub O2 do argonu lub helu, gdyż
powoduje to bardzo szybkie zużycie drogiej elektrody
nietopliwej.
Gaz ochronny ma za zadanie nie tylko osłaniać elektrodę
nietopliwą i obszar spawania
przed dostępem atmosfery, ale decyduje również o energii
liniowej spawania(napięcie łuku),
kształcie spoiny i nawet składzie chemicznym stopiwa (rys.
4.9).
-
Rys. 4.9. Wpływ zastosowanego gazu ochronnego na kształt spoiny
Źródło:
http://www.spawalnictwo.com.pl/index.php?go=leksykon&id_leksykon=4
Podstawowymi własnościami fizycznymi gazów ochronnych,
decydującymi o ich wpływie na proces spawania TIG, są: - potencjał
jonizacji,
- przewodnictwo cieplne,
- ciężar właściwy,
- punkt rosy,
- dysocjacja i rekombinacja gazu.
Tab. 4.2 Właściwości i zastosowanie gazów ochronnych przy
spawaniu w metodzie TIG
-
Źródło:
http://www.spawalnictwo.com.pl/index.php?go=leksykon&id_leksykon=4
- Potencjał jonizacji gazu ochronnego decyduje o łatwości
zajarzenia łuku, prze-wodzeniu prądu przez łuk(oporności łuku) i o
napięciu łuku.
- Przewodnictwo cieplne gazu ochronnego decyduje o kształcie
ściegu spoiny.
- Ciężar właściwy gazu decyduje o stopniu ochrony jeziorka
spawalniczego. - Punkt rosy gazu ochronnego - określa koncentracje
wody w gazie. Im niższy jest punkt rosy, tym niższa jest zawartość
wody, a przez to mniejsze niebezpieczeństwo tworzenia się pęcherzy
gazowych w spoinie.
-
Elektrody nietopliwe
Elektrody nietopliwe do spawania TIG są podstawowym elementem
obwodu spawania i
od ich cech eksploatacyjnych zależy w dużym stopniu jakość
spawania oraz ekonomiczność
procesu (tab. 4.3). Cechy te to łatwość zajarzenia łuku i
stabilność jarzenia się łuku, trwałość oraz
szybkość zużycia elektrody. Elektrody nietopliwe wytwarzane są z
czystego wolframu lub ze
stopów wolframu mogącego zawierać takie składniki dodatkowe jak
np. tlenki toru, lantalu, litu
lub cyrkonu.
Tab. 4.3 Właściwości i zastosowanie elektrod nietopliwych przy
spawaniu w metodzie TIG
Żródło: http://www.spinex.com.pl/elektrody-tig
Materiał dodatkowy
Materiał dodatkowy do spawania TIG może mieć postać drutu,
pałeczki, taśmy lub wkładki stapianej bezpośrednio w złączu. Do
spawania ręcznego stosowane są druty lub pręty proste o średnicy
0,5 - 9,5 mm i o długości 500-1000mm. Jako materiały dodatkowe do
spawania TIG w większości przypadków stosowane są materiały o tym
samym składzie chemicznym, co spawany materiał. W niektórych
przypadkach konieczne jest zastosowanie
-
materiału dodatkowego o wyraźnie różnym składzie chemicznym od
spawanego materiału. I tak np. do spawania stali odpornych na
korozję typu 9% Ni stosuje się stopy niklu natomiast mosiądze spawa
się brązami aluminiowymi, fosforowymi lub krzemowymi. Zazwyczaj
dąży się jednak do tego, aby materiał dodatkowy miał lepsze
własności niż materiał spawany. Materiały dodatkowe do spawania
TIG, ich zastosowanie i skład chemiczny możemy znaleźć na stronie
http://www.katalogi-narzedziowe.pl/katalog/esab-materialy-spawalnicze-2012.
Urządzenia do spawania TIG Typowymi urządzeniami do spawania metodą
TIG (rys. 4.10, rys. 4.11 i rys. 4.12) są: - prostowniki
tyrystorowe lub inwersyjne,
- transformatory spawalnicze,
- źródła zasilania stosowane powszechnie do spawania elektrodami
otulonymi są stosowane do spawania TIG po wyposażeniu stanowiska
spawalniczego w dodatkowe zespoły. Poza składanymi stanowiskami
używa się też źródeł zasilania wyposażonych we wszystkie zespoły,
spełniające funkcje pomocnicze montowane we wspólnej obudowie.
Takie urządzenia są przeznaczone tylko do spawania metodą TIG.
Proces spawania metodą TIG jest sterowany za pomocą złożonych
układów montowanych w tzw. przystawce do zasilacza lub razem z
zasilaczem w jednej obudowie.
Na rysunku 4.12 zostały opisane wszystkie przyciski i pokrętła
panelu sterującego
spawarki inwertorowej TIG VIPER 225P AC/DC.
Rys. 4.10 Spawarka INVERTOROWA TIG 220A Caddy Tig 2200i AC/DC
TA34 z możliwością spawania elektrodami otulonymi
Źródło:
http://www.arweld.net/197,spawarka-tig-220a-caddy-tig-2200i-ac-dc-ta34.html
-
Rys. 4.11 Spawarka TIG KEMPPI MINARCTIG 250 MLP - TTC 220 8,0 m
Źródło:
http://www.centrumspawalnicze.pl/spawarki-tig/235-spawarka-tig-kemppi-
minarctig-250-mlp-ttc-220-8m.html
Rys. 4.12 Opis panelu sterującego spawarki do spawania w
metodzie TIG Źródło: Instrukcja obsługi spawarki Inwertorowej TIG
VIPER 225P AC/DC 17
-
1. Lampka sygnalizująca zadziałanie układu zabezpieczenia
termicznego, 2. Wyświetlacz parametrów spawania, 3. Wybór metody
spawania: TIG AC/TIG DC, 4. Przełącznik funkcji PULS, 5. Wybór
trybu pracy: MMA/TIG, 6. Wybór trybu pracy: 2-takt, 4-takt, 7.
Gniazdo zdalnego sterowania, 8. Gniazdo sterowania TIG, 9. Gniazdo
wyjściowe gazu ochronnego, 10. Gniazdo o polaryzacji ujemnej, 11.
Regulacja dynamiki łuku :ARC FORCE”, 12. Regulacja częstotliwości
pulsu, 13. Wypływ gazu przed rozpoczęciem spawania, 14. Prąd
gazowy, 15. Dolny próg prądu, spawanie PULS, 16. Prąd opadania, 17.
Regulacja wypełnienia krateru, 18. Wypływ gazu po zakończeniu
spawania, 19. Regulacja „balansu” prądu spawania, 20. Gniazdo o
polaryzacji dodatniej.