Spawanie w osłonie argonu (metoda TIG)

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

Elektrody wolframowe

Elektrody do spawania w atmosferze argonu wykonuje się z wolframu gdyż jego temperatura topnienia jest wysoka (3410°C), a szybkość parowania stosunkowo mała (0,5 g na l m. b. spoiny). Elektrody wykonuje się z wolframu o czystości 99,5%. Zawartość zanieczyszczeń powyżej 0,5% silnie obniża temperaturę topnienia wolframu. W obecności gazów utleniających w atmosferze osłaniającej żywotność elektrod znacznie zmniejsza się. Zwiększone zużycie wolframu występuje również przy przeciążeniach prądowych, które prowadzą do przegrzania elektrod, [żywotność około 50% podczas pracy w takich warunkach wykazują elektrody wolframowe z dodatkiem 0,3-2% tlenku toru (ThO₂). W porównaniu z elektrodami z czystego wolframu umożliwiają one łatwiejsze zajarzenie łuku, lepszą stabilność jarzenia łuku, stosowanie około większych natężeń prądu, zmniejszenie ilości rozprysków oraz intensywność parowania metalu.W trakcie spawania elektroda ulega nadtapianiu. Przy małym natężeniu przepływającego prądu na końcu elektrody w miejscu „plamki" tworzy się mała kulka ciekłego metalu, która wykonuje ruch wirujący. Towarzyszy temu niestabilne jarzenie łuku. Nadmierny wzrost temperatury metalu wskutek przepływu prądu powoduje powstanie par wolframu i rozerwanie kulki, co prowadzi do zgaśnięcia łuku do momentu powsta­nia nowej kropli. Spawanie takim łukiem nie gwarantuje dobrej jakości spoiny (dobrego przetopu, ładnego lica). Stosując większe natężenie prą­du, uzyskuje się wyższą temperaturę elektrody, na której końcu tworzy się warstwa nadtapianego wolframu. Łuk staje się stabilny. Dalszemu wzrostowi natężenia prądu odpowiada silniejsze nadtopienie elektrody
i tworzenie dużej kropli na jej końcu. Podczas ruchów wykonywanych elektrodą kropla kołysze się. Towarzyszą temu przemieszczenia łuku, co utrudnia spawanie oraz powoduje zaburzenia w przepływie strumienia gazu ochronnego. Jeżeli kropla oderwie się wskutek zbyt energicznych
ruchów elektrodą, to na jej miejsce pojawi się nowa. Wysoka temperatura elektrody jest przyczyną j ej odkształceń. Wydłużenie elektrody jest procesem odwracalnym i zanika po jej ochłodzeniu, w efekcie wydłużenia elektrody łuk ulega skróceniu, zwiększa się natężenie prądu oraz zmniejsza jego napięcie. Miejscowe przewężenie jest; procesem nieodwracalnym. Przyczyną tego może być dynamiczne oddziaływanie strugi gazu na rozgrzaną elektrodę i utlenianie wolframu zanie­czyszczeniami z gazu ochronnego.

Technologia spawania metodą TIG

Metodą tą spawa się metale nieżelazne i ich stopy, stale kwaso- 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.

Rys. 3.4. Spawanie w atmosferze argonu: a) elektroda wolframowa, b) uchwyt, c) pro­wadzenie uchwytu i spoiwa; l - elektroda, 2 - osłona ceramiczna, 3 - styk elektrody, 4 -osłona elektrody, 5 - osłona rękojeści, 6 - uchwyt na rękę, 7 - dopływ argonu, 8 - dopływ wody chłodzącej, 9 - przycisk sterowniczy włączający jonizator, przepływ gazu i prąd spawania

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 V_w = 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
  (v_s = 200 mm/min, v_s = 400 mm/min, v_s = 800 mm/min),

• wykonanie pomiaru temperatury wody w kalorymerrze przy następujących parametrach przetapiania:

v_s = 200 mm/min - I = 100 A, I = 150 A, I - 200 A v_s - 400 mm/min -1 = 100 A, I = 150 A, I = 200 A v_s = 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:

τ_u= 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 - Q_teor.

Q_teor.=
[J]

gdzie: U- napięcie łuku elektrycznego [V], I- natężenie prądu spawania [A],
- czas [s].

-ilość ciepła przejęta przez wodę w kalorymetrze - Q_w

Q_w=
[J]

gdzie: m_w - masa wody [kg],

c_pw - ciepło właściwe wody [J/kg °C],

t - przyrost temperatury [°C]. Masę wody należy obliczyć z zależności na gęstość:

m_w =
_w
V_w

V_w - objętość wody , która przepłynęła w trakcie pomiaru
t (w warunkach ustalonych) przy odpowiedniej prędkości spawania v_s Stałe do obliczeń: p_w = 999,9kg/m³ c_pw = 4200 J/kgK

- wydajność łuku elektrycznego- η

Tabela pomiarów i wyników

Lp.	I [A]	U [V]	Vs [mm/min]	E [kJ/cm]	t [^oC]	rz [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.

---