Leńczuk Małgorzata

MD 505.5a

Laboratorium spawalnictwa

Katedra inżynierii materiałowej

Wydział mechaniczny

Politechnika Lubelska

Temat: Spawanie TIG

Cel ćwiczenia: Praktyczne zapoznanie się z budową, działaniem i zastosowaniem urządzeń do spawania metodą TIG.

1. Technologia spawania metodą TIG.

W czasie spawania metodą TIG, materiał podłoża i materiał dodatkowy topione są ciepłem łuku elektrycznego w osłonie gazu szlachetnego- argonu. Łuk elektryczny jarzy się pomiędzy zaostrzoną elektrodą wolframową a materiałem rodzimym. Dzięki zaostrzeniu elektrody, łuk elektryczny jest bardzo skupiony i mocno ugina jeziorko ciekłego metalu, zapewniając głębokie wtopienie i małe naprężenie spawalnicze. Ponieważ dodawanie materiału dodatkowego- stopiwa jest niezależne od źródła ciepła, możemy uzyskać dobre nagrzanie materiału podłoża do temperatury zwilżalności i precyzyjnie wykonać złącze. Jest to bardzo ważne w przypadku spawania aluminium i stali nierdzewnej. W metodzie TIG uzyskuje się warstwę graniową pozbawioną działania karbu, w której są małe naprężenia spawalnicze.

Warstwę graniowa, czyli przetop, wykonujemy krótkim łukiem uzyskując duże ujęcie jeziorka ciekłego metalu, a w tym samym pewne wtopienie w materiał rodzimy. Podczas wykonywania przetopu drut musi znajdować się głęboko w szczelinie i musimy być styczny do spawanej rury. Zbyt płytkie zagłębienie drutu może być przyczyna braku przetopu. W czasie wykonywania pierwszej warstwy, czyli warstwy graniowej drut zagłębiony w rowku spawalniczym i styczny do ścianki rury obtacza się po rurze. W pozycji pułapowej, łuk jarzący się w osłonie argonu jest skierowany na przetapiany drut spawalniczy prostopadle do ściany rury. W celu zabezpieczenie się przed nadmiernym przetopem miarę przesuwania spoiny z dołu do góry należy pochylić łuk i zmniejszyć składową ciśnienia łuku prostopadłego do rury. Dzięki temu spawacz może regulować wielkość przetopu w zależności od położenia palnika. Wielu spawaczy posiadających uprawnienia gazowe nieprawidłowo skokowo wprowadza drut w obszar spawania. Obniżając jakość przetopu i zmniejszając szybkość wykonania warstwy graniowej.

Lico spoiny wykonujemy długim łukiem staranie nagrzewając ścianki do temperatury zwilżalności dodając stopniowo na krawędziach lica. Dzięki temu unikamy podstopień. W przypadku wykonywania lica w pozycji naściennej należy dodać stopiwo przy górnej krawędzi lica podczas przesuwania łuku do doleje krawędzi lica ściągać ciekły metal ku dołowi. Argon jest gazem który chłonie gazy z ciekłego metalu, aby uchronić przed pozostaniem w spoinie wyciąganego przez argon gazu w postaci pęcherzy stosujemy stopiwo z wytopów odgazowanych próżniowo. Dzięki tej własności argonu po zaporowaniu przez rozdmuchanie osłony gazowej musimy wyciąć porę do końca i na wylot, i dopiero wtedy kontynuować spawanie. W przeciwnym wypadku cała spoina zostanie zaporowana. W celu unikania por w spoinie stosujemy argon o największej czystości, nie mniejszej niż 99.995%.

Przez zastosowanie uchwytów z laminarnym wypływem zabezpieczamy się przed mieszaniem argonu z powietrzem w wyniku zawirowania wypływającego z dyszy gazu. Uchwyt taki posiada soczewkę do przepływu laminarnego będąca gęstą siaką drucianą, która rozbija strumień argonu na tysiąc strumieni. Gdy jeden ze strumieni zostaje zawirowany pozostałe nadal zapewniają osłonę dla ciekłego metalu przed tlenem i azotem z powietrza. Dzięki temu możliwe jest spawanie bez zaporowań. Wykonywane przy niewielkim wietrze bądź na żółtym podłożu wywołanym korozją.

Ażeby skutecznie przeprowadzić spawanie elektroda powinna być zaostrzona. Należy
ją tak ostrzyć by ostrze posiadało rysy wzdłużne.

Taka elektroda nie powoduje przetopienie łuku spawalniczego (miotła). Materiał spawany nie może być namagnesowany. Rury należy rozmagnesować podgrzewając je do temperatury Curie. Ten sam skutek możemy uzyskać robiąc cewkę z kabla spawalniczego przepuszczając prąd ze spawarki w różnych kierunkach. W przypadku stali austenitycznych w celu wykonania przetopu należy zakleić od zewnątrz taśma aluminiową rowek spawalniczy i doprowadzić do środka rury osłonę z gazu formującego. Przy wysokich ciśnieniach szczelność możemy uzyskać tylko wtedy, gdy wykonamy dwa ściegi z przesuniętymi względem siebie zakończeniami.

Aluminium spawamy prądem zmiennym gdyż tylko w tym przypadku możliwe jest wtopienie z równoczesnym obserwowaniem jeziorka spawalniczego, gdy na elektrodzie wolframowej jest biegun dodatni tlenki aluminium są rozbijane i możliwa jest obserwacja jeziorka spawalniczego. Gdy na elektrodzie jest biegun ujemy uzyskujemy wtopienie w materiał spawany. W przypadku spawania aluminium prądem zmiennym sinusoidalnym źródłami z konwencjonalnym w sposobem eliminacji składowej stałej prądu spawania na końcu elektroda wolframowa jest nadtopiona. W przypadku spawarek inwertorowych z prądem zmiennym prostokątnym- spawanie zimna elektrodą w czasie, gdy na elektrodzie jest biegun dodatni ustawiony jest mały prąd u długi czas (rozbijanie tlenków). W czasie gdy na elektrodzie jest biegun ujemny ustawiony jest duży prąd i krótki czas (wtopienie w materiał). Dzięki temu elektroda nie tępi się a łuk spawalniczy jest bardziej skupiony i uzyskujemy głębokie wtopienie.

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.

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). 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.

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.

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.

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

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

• 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.

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.

Urządzenia do spawania TIG

• 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.

Najczęściej stosowane parametry technologiczne:

• natężenie 5 - 600 A

• napięcie 10 - 30 V

• prędkość spawania 0,3 - 1,2 m/min

• średnica elektrody 0,5 - 6,4 mm

• natężenie przepływu gazu ochronnego 7 - 20 litr/min

Zalety spawania metodą TIG

• dobra jakość połączeń

• możliwość zrobotyzowania

• spawanie elementów o szerokim zakresie grubości

• możliwość spawania we wszystkich pozycjach

Wady

• mała wydajność w przypadku spawania ręcznego

• w przypadku spawania ręcznego, jakość połączeń zależna od umiejętności spawacza

• konieczność stosowania dodatkowej osłony przed wiatrem przy spawaniu w przestrzeni otwartej

Zastosowanie: Do spawania ręcznego lub automatycznego. Metodą TIG spawa się wszystkie gatunki stali, zwłaszcza stale wysokostopowe oraz metale nieżelazne. Największe zastosowanie znajduje przy łączeniu aluminium i stopów aluminium ze względu na uzyskanie lepszych złącz niż przy spawaniu gazowym.

2. Schemat stanowiska:

Rys. schemat stanowiska do spawania metodą TIG

3. Praktyczne wykonanie ćwiczenia:

Wykonane złącza w pozycji doczołowej, przy zastosowaniu następujących parametrów technicznych:

• Blachy użyte do spawania wykonane ze stali St3S o grubości 3 mm Materiał dodatkowy w postaci drutu o oznaczeniu: OK TIG ROD 1264 2mm.

• Inwertor spawalniczy firmy ESAB 2200 urządzenie umożliwiające spawanie prądem zmiennym oraz stałym o zakresie regulacji: 10÷ 220 A dla spawania metodą TIG oraz 20÷ 200 A dla elektrody otulonej, o zasilaniu 1 fazowym

• Gaz osłonowy: Ar podawany z wydajnością 2,5 dm3/min.

• Elektroda wolframowa o średnicy 2,4 mm.

• Prezentacja spawania aluminium metodą TIG na przykładzie stopu PA6,materiał dodatkowy w postaci drutu AlSi5 średnicy 1,6 mm

4. Wnioski

Metodą tig można w zasadzie spawać wszystkie metale i stopy z nielicznymi wyjątkami jednak ze względu na stosunkowo duży koszt argonu a jeszcze większy helu metodę tę wykorzystuje się tylko wtedy gdy jest to uzasadnione zarówno technicznie jak i ekonomicznie. A wiec w odniesieniu do materiałów drogich takich jak aluminium i jego stopy miedź i jego stopy oraz stale stopowo kwasoodporne. Technika wykonywania połączeń zależy od wykonania spawanego materiału jego grubości. Rodzaju wykonywanego połączenia.

---