Зварювання неплавким електродом в середовищі захисних газів

Зварювання неплавким електродом в середовищі захисного газу або технологія, що позначається абревіатурами (TIG - Tungsten Inert Gas), (WIG - Wolfram inert gas) або (GTAW - Gas Tungsten Arc Welding) і на кресленнях відповідно до STN EN ISO 4063 як метод 141 є технологією зварювання плавленням. Під час зварювання електрична дуга горить між вольфрамовим (вугільним) електродом і зварюваним матеріалом у захисній атмосфері інертних газів (рис. 15). Інертні гази захищають розплавлений метал шва від впливу навколишньої атмосфери.

Електрична дуга для зварювання складається з двох частин. Внутрішня область, представлена плазмою, в якій відбувається іонізація газу, і зовнішня область, т.зв. рекомбінація, в якій відбувається нейтралізація позитивних іонів.

Основними параметрами зварювання є: зварювальний струм, швидкість зварювання та напруга електричної дуги. На якість зварних з'єднань впливають полярність струму, діаметр і геометрія торця неплавкого електроду, виліт електроду з сопла, використовуваний захисний газ і його чистота, а також кваліфікація зварювальника, якщо це не автоматизований метод зварювання. Технологія зварювання неплавким електродом допускає зварювання на постійному або змінному струмі. При використанні постійного струму, якщо електрод є катодом, з'єднаним з (-) полюсом, зварювальна дуга утворюється потоком електронів, що переміщуються від катоду в бік зварюваного матеріалу, і потоком частинок іонізованого газу (+), що рухаються у бік катоду. Це зварювання називається зварюванням на прямій полярності. При цьому зварюванні 1/3 тепла припадає на електрод, а 2/3 - на зварювальний матеріал, завдяки чому виконується глибоке проплавлення, яке застосовують для зварювання високолегованих сталей /аустенітних/, міді, нікелю та їх сплавів.

Інертний газ, що використовується, виконує захисну функцію і значно впливає на іонізацію. Якщо електрод є анодом, при підключенні до (+) полярності, електрони переміщуються до електроду, а позитивно заряджені іони переміщуються до зварюваного матеріалу. Це зварювання на зворотній полярності. Недоліком такого підключення є те, що 2/3 тепла виділяється на електроді, а 1/3 на зварюваному матеріалі, що викликає нестабільність електричної дуги. Використовуваний інертний газ виконує захисну функцію, а також очищає позитивно заряджені іони. Такий спосіб підключення має обмежене застосування.

Зварювання на змінному струмі застосовують при зварюванні алюмінію та його сплавів. Використовується так звана очисна дія захисних газів. Зміна полярності зварювального електроду при подачі змінного струму призводить до очищення поверхні від важкоплавких оксидів (наприклад, Al2O3) за рахунок руху позитивно заряджених іонів. Зварювальна дуга стабілізується керуючим дуговим розрядом або генератором високої частоти.

В даний час на практиці перспективним є зварювання постійним пульсуючим зварювальним струмом. За рахунок впливу імпульсів прямої полярності зварювального струму матеріал розплавляється, а під час дії основного струму кристалізується зварний шов. Цей оперативний спосіб зварювання дозволяє отримувати високоякісні зварні шви тонких сталевих листів і фольги, а також кольорових металів і їх сплавів.

Під час TIG зварювання електрична дуга запалюється коротким замиканням, при контакті вольфрамового електроду до поверхні мідної вставки при зварювальних струмах до 10 А, а потім піднімаючи електрод на кілька мм. Потім дуга переноситься від місця початкового запалювання до місця зварювання. Виконувати коротке замикання на основному матеріалі не рекомендується через вплив вольфраму з неплавкого електроду на зварювальну ванну. Частіше використовуваним способом запалювання зварювальної дуги є так зване безконтактне, без короткого замикання,(високочастотне) запалювання дуги за допомогою іонізатора напругою до 1000 В. Іонізаційні властивості використовуваних захисних газів сприяють стабільному горінню електричної дуги.

Швидкість зварювання при ручному зварюванні регулюється зварювальником. При автоматизованих методах зварювання застосовуються швидкості зварювання в залежності від товщини матеріалів, що зварюються, в межах 200-400 мм.хв-1. За прямої полярності можна використовувати вищі швидкості зварювання, ніж при зварюванні на змінному струмі і постійному імпульсному струмі завдяки вищій стабільності зварювальної дуги. Швидкість зварювання також залежить від просторового положення зварювання.

Довжина зварювальної дуги може змінюватися від 3 до 12 мм. Зі збільшенням довжини зварювальної дуги розширюється зона термічного впливу шва і знижується ефективність захисного газу. Коротка зварювальна дуга (3-6 мм) використовується при зварюванні матеріалів з низькою теплопровідністю, наприклад, високолегованих сталей, Ni, Ti та їх сплавів. Дуга (6 - 10 мм) застосовується для зварювання матеріалів з високою теплопровідністю, таких як Cu, Al та їх сплавів. Для зварювання міді та її сплавів застосовують довжину дуги більше 10 мм.

Захисний газ повинен забезпечувати ефективний захист зварювальної ванни від негативного впливу навколишньої атмосфери. Ефективність захисту зварного шва залежить від типу і чистоти інертного газу, швидкості потоку газу з керамічного сопла пальника. При цьому створюються сприятливі умови для запалювання дуги та її стабільного горіння протягом усього процесу зварювання. Такі фактори впливають на теплову потужність TIG дуги, форму, розміри, цілісність і продуктивність зварювання.

Відповідно до стандарту STN EN ISO 14175 захисні гази, що використовуються при TIG зварюванні, поділяються на три основні групи:

   - інертні гази (аргон, гелій, суміші аргон + гелій), які використовуються як основний газовий захист при зварюванні. Сюди входять гази: найбільш використовуваним інертним газом є аргон, який не утворює хімічних сполук з жодним елементом і є теплопровідним. Забезпечує якісне запалювання зварювальної дуги. Він має високу стабільність, і стовп дуги досягає високої температури;

   - гелій має значно вищу теплопровідність, ніж аргон. Однак тепловіддача дуги, що горить в гелії, дуже висока, і він використовується для зварювання теплопровідних матеріалів більшої товщини. При TIG зварюванні найчастіше використовуються суміші Ar - He 70/30 (70% Ar, 30% He), Ar - He 50/50 і Ar - He 30/70 (30%Ar, 70%He). Зі збільшенням вмісту гелію в сумішах Ar + He збільшується напруга на дузі і тепловіддача TIG дуги, що позитивно впливає на форму і розміри зварного шва;

   - відновлювальні гази забезпечують додатковий захист навколишніх ділянок біля шва, які були нагріті до більш високої температури і якщо первинний газовий захист не є ефективним. Використовуються також суміші аргону і водню або азоту і водню;

  - неактивні гази, в основному, використовуються, як вторинний захист для матеріалів, схильних до окислення та газифікації при підвищених температурах, наприклад, при зварюванні нікелю та їх сплавів. Найчастіше використовується для захисту нагрітого матеріалу з боку кореня, захисту зварного шва при його охолодженні та ін. Для цього найбільш використовуваним газом є азот.

Обладнання для зварювання неплавким електродом на постійному струмі складається із зварювального джерела, що представляє собою випрямляч, балона з інертним газом, що знаходиться під тиском, редукційних клапанів, блоку запалювання, регулювання захисних газів і циклу охолодження, блоку з високочастотним іонізатором, блоку охолодження, зварювальних кабелів із затискачем заземлення і пальника.

Обладнання для зварювання на змінному струмі складається з джерела зварювання, яким є трансформатор, балона з інертним газом, редукційних клапанів, блоку управління, стабілізатора дуги для зміни полярності, батареї конденсаторів для підвищення ефекту очищення, блоку запалювання з високочастотним іонізатором, блоку охолодження, зварювальних кабелів з затискачем заземлення та пальником.

Зварювальний пальник використовується для подачі зварювального струму на неплавкий електрод, а також подачі захисних газів до місця зварювання. Його розміри залежать від використовуваного зварювального струму і охолоджувального середовища. Найважливішими частинами зварювального пальника є зварювальне сопло (насадка), неплавкий електрод і перемикач зварювального струму.

Сопло пальника служить для ламінарної, а не турбулентної подачі захисних газів до місця зварювання. Сопла зазнають термічного навантаження під час зварювання, тому виготовлені з кераміки. Вони змінні, їх форма і геометрія вибираються в залежності від товщини зварюваних матеріалів, діаметру неплавкого електроду і параметрів зварювання. Внутрішній діаметр насадок знаходиться в діапазоні від 8 до 25 мм.^-1.

Неплавкі електроди виготовляють із тугоплавких матеріалів. Для TIG-зварювання використовують кілька типів електродів, визначених у стандарті STN EN ISO 6848.

- вольфрамові неплавкі електроди /придатні для зварювання на постійному і змінному струмі/;

- вольфрам-торієві електроди володіють тривалішим терміном експлуатації і можуть бути більш навантажені струмом, ніж чисті вольфрамові електроди;

- вольфрамово-цирконієві електроди мають триваліший термін експлуатації і можуть використовуватися для більших струмів. Коштують вони досить дорого;

Через високі термічні напруження зварювальні електроди необхідно охолоджувати захисним газом навіть після згасання електричної дуги. В залежності від типу з'єднання використовується виліт електроду з сопла в діапазоні від 1,5 до 3 діаметрів електрода. Для підтримки стабільної зварювальної дуги торець неплавкого електроду загострюють на конус з кутом при вершині від 30 до 120º.

Для підтримування стабільної зварювальної дуги, зварювальний пальник необхідно охолоджувати повітрям або водою.

Присадні матеріали для зварювання

Присадні матеріали для TIG зварювання представлені у вигляді:

- зварювальних прутків, які використовуються при ручному зварюванні. Діаметр зварювальних прутків f 1 - 8 мм, довжина - 600 - 1000 мм. Для зварювання використовують також трубчасті прутки;

- зварювальні дроти, які використовуються при механізованому і автоматизовано зварюванні. Зварювальний дріт має діаметр від 0,8 до 2,4 мм для зварювання та максимальний f 5 мм для наплавлення.

Присадні матеріали при TIG зварюванні виконують кілька функцій. Їх завдання - поповнити об'єм зварювальної ванни і створити зварний шов необхідної форми і поперечного перерізу, забезпечити легування зварного металу добавками або компенсувати втрати від вигоряння елементів у зварювальній дузі і тим самим покращити його цілісність та експлуатаційні властивості (наприклад, стійкість до утворення тріщин і порожнин), для розкислення зварювальної ванни, покращення формування зварного шва тощо.

Форма та розміри зварювальних поверхонь, в залежності від товщини зварних швів, встановлені стандартом STN EN ISO 9692-1. При ручному дуговому TIG зварюванні, як і при газовому зварюванні, використовується лівостороннє і правостороннє зварювання.

Зварювання неплавким електродом застосовується для зварювання тонких сталевих листів, листів Al і його сплавів, де при зварюванні застосовується очисний ефект змінного струму. Можливе зварювання з використанням додаткових матеріалів або без них, що підходить для ремонту та відновлення деталей машин.