Politechnika Rzeszowska
im. Ignacego Łukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Spawanie metodą TIG
Wykonali: Bogumił Mruk
Istotę spawania metodą TIG ilustruje rysunek:
Spawanie w argonie elektrodą nietopliwą: l - materiał spawany, 2 - spoiwo, 3 - elektroda wolframowa, 4 - atmosfera ochronna (argonu), 5 - łuk elektryczny, 6 -jeziorko spawalnicze
Technologia spawania metodą TIG
Metodą tą spawa się metale nieżelazne i ich stopy, stale kwas- i żaroodporne oraz inne stale stopowe. Atmosfera argonu lub helu osłania obszar łączony przed dostępem tlenu, azotu i wodoru z powietrza, a w przypadku pojawienia się warstwy trudno topliwych tlenków następuje ich rozbicie strumieniem zjonizowanego gazu (tzw. rozpylanie katodowe). Duża, w porównaniu ze spawaniem gazowym, koncentracja ciepła pozwala na szybkie miejscowe nadtapianie metali, wskutek czego obszar strefy wpływu ciepła jest bardzo mały. Przy spawaniu prądem stałym rozkład temperatury na poszczególnych biegunach łuku nie jest jednakowy. Większa ilość ciepła wydziela się na biegunie (+), dlatego do spawanego materiału podłącza się biegun (+), a do elektrody (-). W takim podłączeniu lepszą żywotność wykazuje elektroda z dodatkiem tlenku toru. Przy spawaniu aluminium i jego stopów oraz magnezu i jego stopów elektrodę wolframową łączy się z biegunem (+), a materiał spawany z biegunem (-). Przy takim podłączeniu dodatnie ładunki argonu (jony) bombardują warstwę trudno topliwych tlenków, a elektrony wypływające z łączonego materiału wyrzucają rozbite tlenki z powierzchni jeziorka spawalniczego. Rozbicia warstwy tlenków dokonuje się równie skutecznie z zastosowaniem w procesie spawania prądu przemiennego.
Przygotowując miedź i stal nierdzewną do spawania, przewiduje się odstępy między krawędziami łączonych metali. Brzegi łączonych elementów powinny być czyste i pozbawione tlenków, co realizuje się czyszczeniem mechanicznym, trawieniem i myciem. Blachy z aluminium i jego stopów, miedzi i jej stopów grubości powyżej 5 mm oraz stali stopowej grubości powyżej 8 mm podgrzewa się wstępnie. Aluminium i jego stopy podgrzewa się do temperatury około 300°C. miedź i jej stopy do temperatury około 600°C. a stal stopową do temperatury 500-800°C. Skład chemiczny spoiwa i łączonego materiału powinien być podobny. Przy spawaniu metodą TIG uchwyt pochylony pod kątem 60-90° w stosunku do powierzchni spawanego materiału prowadzi się ruchem prostoliniowym. Spoiwo podaje się pod kątem około 30° w stosunku do powierzchni spawanego materiału ruchem przerywanym (skokowo) lub ciągłym, aby topliwy koniec przez cały czas znajdował się w osłonie argonu. Ma to na celu zabezpieczenie go przed utlenianiem.
Spoiny czołowe i pachwinowe wykonuje się metodą w lewo. Przed zajarzeniem elektrodę nagrzewa się „do koloru czerwonego", korzystając z płytki grafitowej. Łuk zostaje zajarzony przez następne zbliżenie elektrody do spawanego metalu na odległość około 5 mm aż do uzyskania przeskoku iskry. Łuk można także zajarzyć bezpośrednio nad przedmiotem. Wymaga to zbliżenia elektrody do materiału na odległość 1-2 mm, Podczas spawania odległość elektrody od jeziorka spawalniczego powinna wynosić 4-8 mm. Nawet krótkotrwałe zwarcie elektrody z materiałem łączonym znacznie obniża żywotność elektrody. Przytopiony do elektrody materiał wymaga usunięcia szlifowaniem.
Urządzenia i materiały
urządzenie do spawania metodą GTAW, płyta metalowa, elektroda wolframowa, kalorymetr przepływowy, miernik temperatury, woltomierz.
Przebieg ćwiczenia
przygotowanie kalorymetru: określenie prędkości przepływu wody Vw = 8 dm3/min),
podłączenie termopar do miernika temperatury (2 termopary NiCr -Ni),
ustawienie elektrody (
4 mm) w uchwycie spawalniczym,
ustawienie odległości między elektrodą o materiałem spawanym (5-6 mm), - przygotowanie urządzenia do spawania metodą GTAW: podłączenie gazu osłonowego (argon lub hel),
ustawienie parametrów przetapiania ( I = 100A, I = 150A, I = 200A ), prąd spawania - stały,
przygotowanie urządzenia do regulacji prędkości przesuwu elektrody
(vs = 200 mm/min, vs = 400 mm/min, vs = 800 mm/min),
wykonanie pomiaru temperatury wody w kalorymetrze przy następujących parametrach przetapiania:
vs = 200 mm/min - I = 100 A, I = 150 A, I - 200 A vs - 400 mm/min -1 = 100 A, I = 150 A, I = 200 A vs = 800 mm/min - I = 100 A, I = 150 A, I = 200 A, Długość pomiarowa (długość przetopienia):
l = 200 mm. Pomiary temperatury należy wykonywać w warunkach ustalonych:
t = const Czas potrzebny do przeprowadzenia pomiarów temperatury w warunkach ustalonych:
τu= 10 s Czas rzeczywisty pomiaru temperatury
rz=
-
u [s]
Napięcie łuku wynosi:
dla helu: 100A—20V, 150A—22V, 200A—23V, 250A—16V,
dla argonu 100A—13V, 150A—14V, 200A—15V.
Obliczenia
- energia liniowa luku E:
, [kJ/cm]
- całkowita ilość wydzielonego ciepła - Qteor.
Qteor.=
[J]
gdzie: U- napięcie łuku elektrycznego [V], I- natężenie prądu spawania [A],
- czas [s].
-ilość ciepła przejęta przez wodę w kalorymetrze - Qw
Qw=
[J]
gdzie: mw - masa wody [kg],
cpw - ciepło właściwe wody [J/kg °C],
t - przyrost temperatury [°C]. Masę wody należy obliczyć z zależności na gęstość:
mw =
w
Vw
Vw - objętość wody , która przepłynęła w trakcie pomiaru
t (w warunkach ustalonych) przy odpowiedniej prędkości spawania vs Stałe do obliczeń: pw = 999,9kg/m3 cpw = 4200 J/kgK
- wydajność łuku elektrycznego- η
Tabela pomiarów i wyników
Lp. |
I [A] |
U [V] |
Vs [mm/min] |
E [kJ/cm] |
[oC] |
[s] |
Qw [J] |
Qteor. [J] |
η [%]
|
1. |
100 |
13 |
200 |
390 |
1,8 |
50 |
7697550,17 |
65000 |
118,423849 |
2. |
150 |
14 |
200 |
630 |
2,4 |
50 |
7714348,49 |
105000 |
73,4699856 |
3. |
200 |
15 |
200 |
900 |
3,6 |
50 |
7747945,13 |
150000 |
51,6529675 |
4. |
250 |
16 |
200 |
1200 |
4,8 |
50 |
7781541,77 |
200000 |
38,9077088 |
5. |
100 |
13 |
400 |
195 |
1 |
20 |
3070060,96 |
26000 |
118,079268 |
6. |
150 |
14 |
400 |
315 |
1,8 |
20 |
3079020,07 |
42000 |
73,3100016 |
7. |
200 |
15 |
400 |
450 |
3 |
20 |
3092458,72 |
60000 |
51,5409787 |
8. |
250 |
16 |
400 |
600 |
3,5 |
20 |
3098058,16 |
80000 |
38,725727 |
9. |
100 |
13 |
800 |
97,5 |
0,6 |
5 |
766395,353 |
6500 |
117,906977 |
10. |
150 |
14 |
800 |
157,5 |
1,5 |
5 |
768915,101 |
10500 |
73,2300096 |
11. |
200 |
15 |
800 |
225 |
2,1 |
5 |
770594,933 |
15000 |
51,3729955 |
12. |
250 |
16 |
800 |
300 |
2,7 |
5 |
772274,765 |
20000 |
38,6137382 |
Wnioski:
Jak widać z przeprowadzonych obliczeń i wykonanych wykresów wraz ze zwiększeniem natężenia prądu podczas spawania metodą GTAW wzrasta całkowita ilości ciepła wydzielonego, co powoduje zwiększenie sprawności łuku elektrycznego. Sprawność powyżej 100%, jest nie możliwa do osiągnięcia i jest spowodowana błędem pomiaru temperatury. Zwiększenie prędkości przesuwu uchwytu spawalniczego nad powierzchnią spawaną powoduje spadek sprawności łuku elektrycznego. Chcąc osiągnąć jak największą sprawność łuku elektrycznego podczas spawania metodą GTAW, należy spawać prądem o jak największym natężeniu, z jednoczesną minimalną prędkością przesuwu uchwytu spawalniczego po spawanej powierzchni.