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.