Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
Wydział Nauk Technicznych
Mechanika i Budowa Maszyn
Temat: Spawanie w gazach ochronnych TIG (141).
Sposób pracy-ręczny,
Źródło ciepła-łuk elektryczny,
Osłona jeziorka-gaz obojętny,
Zakres natężenia prądu-10-300A
Zasada działania-łuk jarzy się między końcem elektrody wolframowej a metalem rodzimym złącza. Elektroda się nie stapia, ,a spawacz utrzymuje stałą długość łuku. Wartość natężenia 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.
Obecnie spawanie 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.
Urządzenia do spawania TIG są tanie i łatwe w obsłudze. 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 nagrzaną strefę spawania łączonych przedmiotów przed dostępem gazów z atmosfery. Jeziorko ciekłego metalu tworzone jest bez udziału topnika, niema więc wtrąceń niemetalicznych w spoinie i na jej powierzchni, a stopienie materiału rodzimego i dodatkowego 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 odbywa się przez krótkotrwałe zwarcie elektrody nietopliwej z przedmiotem lub specjalną płytką startową i szybkie jej cofnięcie. Drugim sposobem jest zastosowanie łuku pomocniczego między elektrodą a spawanym przedmiotem, utworzonego w wyniku przepływu prądu o małym natężeniu i wysokiej częstotliwości oraz wysokim napięciu.
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.
a) Spawanie prądem stałym -przebiegać może z biegunowością dodatnią lub ujemną. Gdy elektroda podłączona jest do bieguna dodatniego (biegunowość dodatnia). Aby przenieść natężenie prądu z biegunowością dodatnią, elektroda musi mieć znacznie większą średnicę niż przy podłączeniu do bieguna ujemnego. Stosowane jest przy spawaniu w osłonie argonu lub helu prawie wszystkich metali i stopów z wyjątkiem cienkich blach z aluminium i jego stopów.
b) 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.
c) 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 nadtopieniu i pojawia się niebezpieczeństwo powstania wtrąceń metalicznych w spoinie.
d) 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. Argon ma niski potencjał jonizacyjny -15,7 V, łuk jarzy się więc bardzo stabilnie
e) 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.
Gazy ochronne do spawania TIG, to gazy obojętne Ar i He lub ich mieszanki z ewentualnym dodatkiem H2 (tab.2). 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.
a) Własności fizyczne gazów ochronnych. 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.
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
| Rodzaj metalu spawanego | Rodzaj procesu spawania | Rodzaj gazu ochronnego | Opis podstawowych własności |
|---|---|---|---|
| Aluminium i stopy aluminium | Ręczne | Ar | Łatwe zajarzenie łuku i duża czystość spoiny |
| Automatyczne | He , He+Ar | Duże prędkości spawania, możliwość spawania bez podgrzewania wstępnego | |
| Magnez i stopy magnezu | Grubość złącza poniżej 1,5mm | Ar | Łatwość regulacji przetopienia i duża czystość spoiny |
| Grubość złącza powyżej 1,5mm | He | Dobre przetopienie, najlepsze wyniki przy spawaniu prądem stałym | |
| Stal węglowa | Ręczne | Ar | Łatwość regulacji kształtu spoiny i zajarzenia łuku, możliwość spawania we wszystkich pozycjach |
| Automatyczne | Ar+He | Zwiększone przetopienie i szybkość spawania | |
| Stale Cr-Ni Austenityczne | Ręczne | Ar | Ułatwiona regulacja przetopienia cienkich blach |
| Automatyczne | Ar+He | Zwiększona głębokość przetopienia i szybkość spawania | |
| Ar+max 35% H2 | Unika się podtopień, wymagane jest mniejsze natężenie przepływu niż czystego Ar | ||
| He | Największe głębokości przetopienia i energie liniowe spawania | ||
| Cu, Ni i ich stopy | Ręczne i automatyczne | Ar | Duża łatwość spawania cienkich blach i ściegów graniowych cienkich rur |
| Ar+He | Zapewnione wyższe energie liniowe spawania | ||
| He | Możliwość spawania grubych blach z dużymi prędkościami bez podgrzewania wstępnego | ||
| Tytan i jego stopy | Ręczne i automatyczne | Ar | Duża czystość spoiny |
| He | Większa głębokość przetopienia przy spawaniu grubych blach |
Potencjał jonizacji gazu ochronnego decyduje o łatwości zajarzenia łuku, przewodzeniu 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 do spawania TIG są podstawowym elementem obwodu spawania i od ich cech eksploatacyjnych zależy w dużym stopniu jakość spawania oraz ekonomiczność procesu. 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.
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; mosiądze spawa się brązami aluminiowymi, fosforowymi lub krzemowymi. Zazwyczaj dąży się jednak do tego, aby materiał dodatkowy miał lepsze własności niż materiał spawany.
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.(rys 9). 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.
Część praktyczna
Na zajęciach zapoznaliśmy się z metodą spawania łukowego elektrodą wolframową w osłonie gazowej (TIG). W przypadku metody TIG łuk zajarza się bezstykowo, przez zbliżenie elektrody do powierzchni spawanej. Dotknięcie elektrodą powierzchni materiału spawanego powoduje jej przywarcie i uszkodzenie co mogliśmy zaobserwować podczas ćwiczeń.
Wnioski
Metoda spawania TIG jest kolejną z metod spawania łukiem elektrycznym. Różni się jednak znacznie od poznanych na wcześniejszych zajęciach, ponieważ jest tutaj zastosowana elektroda nietopliwa. Do jej zalet należy niewątpliwie wysoka jakość złączy spawanych (korzystny kształt, brak niezgodności spawalniczych). Dlatego też jest najczęściej stosowana do spawania stopów aluminium oraz stali nierdzewnych, gdzie jednorodność złącza ma krytyczne znaczenie. Podczas procesu można w doskonały sposób kontrolować zachowanie się jeziorka spawalniczego, co jest szczególnie istotne przy wykonywaniu ściegów graniowych. Co również ważne, nie występuje zjawisko rozprysku obserwowane dla elektrod topliwych.