(Некоторая информация в даной статье могла устареть, поскольку анализируются электроды с круглыми кончиками, а сейчас используются заостренные)
В качестве неплавящихся электродов для дуговой сварки в среде инертных газов применяются главным образом вольфрамовые прутки.
Некоторые сведения о вольфраме. Вольфрам - самый тугоплавкий металл, уступающий в этом отношении только углероду. Удельный вес вольфрама 19,3 г/см 3 . Наряду с высокой температурой плавления, равной 3350-3600° С, он обладает ничтожной летучестью при высоких температурах и низким коэффициентом теплопроводности (фиг. 76).
В свободном состоянии вольфрам в природе не встречается. Важными соединениями, в виде которых встречается вольфрам, являются соли вольфрамовой кислоты. Вольфрам практически не является редким металлом, так как он распространен в земной коре не меньше, чем свинец и олово, и вдвое больше, чем медь.
Схематически производство вольфрамовой проволоки состоит из следующих стадий:
1) химической обработки вольфрамовой руды с целью получения вольфрамовой кислоты;
2) восстановления вольфрамовой кислоты в металл;
3) протяжки металлического вольфрама в вольфрамовую проволоку.
Вольфрамовая кислота H 2 W0 4 , просушенная и размолотая, представляет собой мелкий порошок желтого цвета. Она является соединением окиси вольфрама W0 3 с водой.
Восстановление вольфрамовой кислоты производится в специальных электропечах, где происходит процесс отнятия кислорода от кислоты водородом при температуре не ниже 700°. Затем полученный порошок вольфрама прессуется, спекается и сваривается. Полученный таким образом вольфрам подвергают механической обработке: ковке и протяжке до нужного диаметра. Механическую обработку ввиду хрупкости вольфрама при обычной температуре производят в нагретом состоянии. На различных стадиях обработки температура нагрева изменяется. Наибольший нагрев до 1500° дается при ковке, при волочении температура нагрева снижается до 800-950°. Таким путем получают вольфрамовую проволоку или прутки.
Вольфрамовая проволока или прутки, применяемые в качестве электродов для сварки, должны удовлетворять специальным техническим условиям.
Выбор диаметра вольфрамового электрода
Для сварки в среде инертных газов обычно применяют вольфрамовые электроды диаметром от 0,8 мм и выше в зависимости от тока, необходимого для достижения требуемого проплавления. Чаще всего применяют электроды диаметром от 0,8 до 6,0 мм.
Допустимая сила или плотность тока устанавливается, исходя из следующих соображений. Конец электрода на поверхности в том месте, где горит дуга, расплавлен. Если вольфрам недостаточно разогрет, то дуга нестабильна и колеблется из стороны в сторону. Дуга горит стабильно лишь при определенной плотности тока, когда вольфрам уже достаточно разогрет.
Помимо стабильности дуги при установлении минимального тока приходится считаться с явлением эрозии кончика электрода. Исследованием влияния силы тока на вольфрамовый электрод было установлено, что если применяется ток недостаточной силы, то горение дуги между вольфрамовым электродом и малоуглеродистой сталью в среде гелия вызывает эрозию или постепенное истечение металла с электрода, которое стремится сузить конец электрода. Истечение металла направлено к концу электрода, вызывая образование шарика на его конце и удлинение электрода. В одном опыте эта эрозия настолько усилилась, что кончик электрода дрогнул и готов был оторваться (фиг. 77, а). Отрыв кончика электрода был предупрежден увеличением сварочного тока, благодаря чему можно было наблюдать, как кончик электрода плавился, (фиг. 77, б) прежде чем эрозия достигла предельной величины. После расплавления кончика электрода явление эрозии исчезает и конец электрода сохраняет правильное сферическое очертание (фиг. 77, в).
При горении дуги в среде аргона слабый ток вызывает образование на одной стороне конца электрода небольшого расплавленного шарика (фиг. 77, г). Этот шарик стремится обойти вокруг кончика электрода, образуя изогнутый наплыв (фиг. 77, д). Затем наступает момент, когда шарик открывается и тотчас же образуется новый. Если увеличить ток настолько чтобы расплавился кончик электрода, то последний сохраняет постоянную сферическую форму (фиг. 77, е).
Таким образом, минимально допустимый ток определяется, с одной стороны, стабильностью дуги, а с другой - сохранением неизменной сферической формы конца электрода.
Максимальная величина сварочного тока ограничивается склонностью к образованию чрезмерно больших шариков расплавленного вольфрама на конце электрода, к вибрированию этих шариков, к отрыву их и переносу в расплавленную ванночку. Даже в тех случаях, когда большая капля расплавленного вольфрама не отрывается, наличие ее весьма затрудняет процесс сварки, ибо малейший толчок электрододержателя вызывает вибрацию капли расплавленного вольфрама, в результате чего столб дуги проходит на изделие от точки капли, ближайшей к изделию.
В таких случаях получается волнистый шов и недостаточный провар в некоторых точках. Кроме того, слишком большая капля препятствует нормальному истечению газа из сопла, вследствие чего в зону сварки попадает воздух.
Чем выше сварочный ток (в пределах допустимой величины), тем устойчивее дуга.
Таблица 18. Допустимые значения тока для электродов различного диаметра при сварке постоянным током в среде инертных газов высокой чистоты (99,8%)
На фиг. 78, а и б даны графики предельных значений сварочного тока для электродов различных диаметров при питании дуги переменным током и использовании технического (фиг. 78, а) и чистого (фиг. 78, б) аргона.
В табл. 18 приведены предельные значения сварочного тока при наиболее употребляемых диаметрах вольфрамовых электродов для постоянного тока и при чистых аргоне и гелии. Материал изделия, по-видимому, не оказывает влияния на предельные значения тока. Следует заметить, что эти величины приблизительны, так как они зависят от конструкции электрододержателя, состояния поверхности электрода и в известной мере от опытности сварщика.
Таблица 18.
При сварке на постоянном токе полезно применять торированные вольфрамовые электроды. Эти электроды содержат некоторое количество окиси тория, которая добавляется в вольфрамовый порошок перед формовкой и спеканием электрода.
Оптимальными характеристиками обладают вольфрамовые электроды, содержащие 15% окиси тория, но производственное применение нашли электроды, содержащие 1 % окиси тория. Допускаемая для торированных электродов плотность тока выше (табл. 19), и концы их не плавятся и не меняют во время сварки своей формы (фиг. 79, б). Значительно облегчается зажигание дуги, которое происходит быстрее, чем при неторированных электродах (фиг. 80) при более низком напряжении холостого хода (табл. 20) и при этом конец электрода не разрушается. Поэтому зажигание дуги легко производится на изделии без опасности попадания включений вольфрама в шов.
Полное наименование этого процесса сварки таково: Ручная дуговая сварка в инертном газе вольфрамовым электродом (ДСТУ 3761.3-98 "Сварка и родственные процессы. Часть 3 Сварка металлов: соединения и швы, технология, материалы и оборудование. Термины и определения"). Схема и сущность процесса сварки ТИГ показана на рисунке ниже.
Кромки свариваемого изделия и присадочный металл расплавляются дугой, горящей между неплавящимся вольфрамовым электродом и изделием. При этом используется электрод либо из чистого, либо из активированного вольфрама. При необходимости в сварочную ванну добавляется присадочный металл. По мере перемещения дуги расплавленный (жидкий) металл сварочной ванны затвердевает (то есть кристаллизируется), образуя сварной шов, соединяющий кромки деталей. Сварное соединение образуется либо только за счет расплавленного основного металла, либо за счет, как основного металла, так и металла присадочной проволоки. Дуга, сварочная ванна, торцы вольфрамового электрода и присадочной проволоки, а также остывающий шов защищены от воздействия окружающей среды инертным газом (аргоном или гелием), подаваемым в зону сварки горелкой. Сварка выполняется либо постоянным током прямой полярности, когда плюсовая клемма источника питания подключается к изделию, а минусовая – к горелке, либо переменным током (при сварке алюминия).
Область применения сварки ТИГ
Этот способ сварки широко применяется в химической, теплоэнергетической, нефтеперерабатывающей, авиационно-космической, пищевой, автомобилестроительной и других отраслях промышленности для сварки практически всех металлов и сплавов: углеродистых, конструкционных и нержавеющих сталей, алюминия и его сплавов, титана, никеля, меди, латуней, кремнистых бронз, а так же разнородных металлов и сплавов; наплавка одних металлов на другие.
Сварочный источник питания
Сварочный источник питания обеспечивает сварочную дугу электрической энергией. В качестве источника питания при сварке ТИГ используются:
Сварочные трансформаторы – при сварке на переменном токе;
- сварочные выпрямители и генераторы – при сварке на постоянном токе;
- универсальные источники питания, обеспечивающие, как сварку переменным, так и постоянным током.
Источники питания для сварки ТИГ должны иметь крутопадающую внешнюю вольт-амперную характеристику (). Такая характеристика обеспечивает постоянство заданного значения тока сварки при нарушениях длины дуги, например, из-за колебаний руки сварщика.
Сварочная горелка
Основным назначением горелки для дуговой сварки ТИГ является жесткое фиксирование вольфрамового электрода (W-электрода) в требуемом положении, подвода к нему электрического тока и равномерного распределения потока защитного газа вокруг сварочной ванны. Она состоит из корпуса (ручки) и головки покрытой изолирующим материалом. Обычно, в рукоятку горелки встроена кнопка управления для включения и выключения тока сварки и защитного газа. Некоторые современные горелки имеют кнопку управления током в процессе сварки. Цанга позволяет жестко закрепить W-электрод в горелке; для этого необходимо закрутить тыльный колпачок до отказа. Обычно, тыльный колпачок достаточно длинный, чтобы вместить в себя всю длину электрода, как это показано на рисунке. Но для работы в стесненных условиях горелки могут снабжаться и короткими колпачками.
Горелки для сварки ТИГ разработаны самых разных конструкций и размеров в зависимости от максимального требуемого тока, а также от условий ее применения. Размер горелки также влияет на то, как горелка будет нагреваться и охлаждаться при сварке. Конструкция некоторых горелок предполагает их охлаждение потоком защитного газа (это так называемые, горелки воздушного охлаждения). Горелки также отводят тепло в окружающее пространство. Имеются также горелки с водяным охлаждением. Они, обычно, предназначаются для использования на повышенных токах сварки. Горелки ТИГ с водяным охлаждением, как правило, имеют меньшие размеры, чем горелки воздушного охлаждения для тех же токов сварки.
Газовое сопло. Функцией газового сопла является направлять защитный газ в зону сварки с тем, чтобы он замещал окружающий воздух. Газовое сопло крепится к горелке ТИГ на резьбе, что, в случае необходимости, облегчает его замену. Они обычно изготавливаются из керамического материала для того, чтобы противостоять интенсивному нагреву.
Газовые линзы . Другим типом сопел являются сопла со встроенными газовыми линзами, в которых поток газа проходит через металлическую решетку, что придает ему большую ламинарность, обеспечивающую более надежную защиту, так как такой поток более устойчив к воздействиям поперечных воздушных потоков и действует на большее расстояние. Преимуществом сопла, обеспечивающего ламинарный поток газа, заключается в том, что можно устанавливать больший вылет электрода, что дает сварщику лучший обзор сварочной ванны. Газовые линзы также снижают расход газа.
Обычное сопло (слева) и сопло с газовой линзой (справа)
Форма потока защитного газа от обычного сопла
Форма потока защитного газа от сопла с газовой линзой
Блоки (панели) управления установками для сварки ТИГ
Блоки (панели) управления установками для сварки ТИГ могут быть, как очень простыми, так и очень сложными с различными функциями. Самый простой блок управления позволяет регулировать только ток сварки. В то время как расход защитного газа настраивается регулятором, вмонтированном в горелку ТИГ. Современные блоки управления позволяют включать защитный газ до зажигания дуги и продолжать его подачу некоторое время после выключение тока сварки. Последнее обеспечивает защиту вольфрамового электрода и остывающей сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха. Блоки управления установками для сварки ТИГ могут также обеспечивать контроль нарастания и снижения тока сварки, а также импульсный режим сварки (пульсацию тока). Регулирование времени плавного нарастания тока до номинального уровня при зажигании дуги предохраняет вольфрамовый электрод от разрушения и попадания частичек вольфрама в сварной шов. Регулирование времени плавного снижения тока при окончании сварки предотвращает образование кратера и пористости.
При импульсном режиме сварки устанавливаются два уровня тока: ток импульса и ток базы. Значение тока базы выбирается из условия поддержания горения дуги. Плавление основного металла осуществляется током импульса, в то время как во время паузы сварочная ванна остывает (вплоть до полной кристаллизации в зависимости от параметров импульсного режима). Длительности импульса и паузы могут регулироваться.
При импульсной сварке шов выглядит, как ряд наложенных друг на друга сварных точек, причем степень их перекрытия зависит от скорости сварки.
Основные параметры режима ручной сварки ТИГ
К основным параметрам режима сварки ТИГ относятся:
Тип вольфрамового электрода;
- диаметр электрода;
- тип защитного газа;
- сила тока сварки (Iсв);
- напряжение на дуге (Uд);
- скорость сварки (Vсв).
Используемые сварочные материалы
Защитные газы
Защитный газ выполняет несколько функций. Одна из них заключается в том, чтобы вытеснять собой из зоны сварки окружающий воздух и, тем самым, исключить его контакт со сварочной ванной и раскаленным вольфрамовым электродом. Он также выполняет важную роль в обеспечении прохождения тока и передаче тепла через дугу. При сварке ТИГ используются два инертных газа: аргон (Ar) и гелий (He), из которых первый газ используется чаще. Они оба могут быть смешаны друг с другом, или каждый из них с другим газом, который обладает восстановительной способностью, т.е. вступает в связь с кислородом. При сварке ТИГ в качестве газов с восстановительной способностью используются два газа, водород (H2) и азот (N2). Выбор типа защитного газа зависит от типа материала, подлежащего сварке.
Выбор надлежащего защитного газа.
В качестве защитного газа для корневой стороны сварного шва рекомендуется использовать смесь газов с восстановительной способностью N 2 /H 2 .
Более подробная информация о защитных газах, а также о присадочных прутках приведена в статье
Электроды
Неплавящиеся вольфрамовые электроды для дуговой сварки в защитных газах изготавливаются 4-х типов (согласно -80):
ЭВЧ – чистый вольфрам без специальных добавок;
ЭВЛ – вольфрам с добавкой окиси лантана (1,1 – 1,4%);
ЭВИ – вольфрам с добавкой окиси иттрия (1,5 – 3,5%);
ЭВТ – вольфрам с добавкой двуокиси тория (1,5 – 2%).
Диаметр вольфрамового электрода выбирают в зависимости от его марки, величины и рода сварочного тока. Электроды ЭВЧ используют для сварки на переменном токе, а прочие для сварки на переменном и постоянном токах прямой и обратной полярности.
| Диаметр электрода, мм | Постоянный ток, полярность | Переменный ток, А | |||||||
| прямая | обратная | ||||||||
| ЭВЛ | ЭВИ | ЭВТ | ЭВЛ | ЭВИ | ЭВТ | ЭВЛ | ЭВИ | ЭВТ | |
| 2 | 80 | 180 | 120 | 20 | 25 | 25 | - | - | - |
| 3 | 230 | 380 | 300 | 35 | 50 | 30 | - | 150 | 180 |
| 4 | 500 | 620 | 590 | 60 | 70 | 60 | 180 | 170 | 220 |
| 5 | 720 | 920 | 810 | - | - | 70 | - | 210 | 270 |
| 6 | 900 | 1500 | 1000 | 100 | 120 | 110 | 250 | 250 | 340 |
Род тока и полярность влияют, прежде всего, на форму провара. Эта зависимость условно представлена на рисунке.
А - постоянный ток прямая полярность;
Б - постоянный ток обратная полярность; В - переменный ток;
В процессе сварки происходит затупление электрода и, как следствие, уменьшение глубины провара. Затачивать конец электрода для сварки переменном током рекомендуется в виде сферы, а для сварки постоянным током – в виде конуса. Угол конуса должен быть 28 - 30°, длина конической части должна составлять 2 – 3 диаметров электрода. Конус после заточки должен быть притуплен, диаметр притупления должен быть от 0,2 до 0,5 мм.
Процесс заточки электрода показан на рисунке ниже. При заточке электрода могут использоваться переносные аппараты, или стационарные со специальными направляющими для электрода или без них.
Заточка W-электрода
Расход электродов диаметром 8 - 10 мм при беспрерывной работе в течение 5 часов:
ЭВЧ – 8,4 г/час, ЭВЛ – 1,2 г/час, ЭВИ – 0,18 г/час, ЭВТ – 1,4 г/час. Чтобы уменьшить расход электрода, подачу инертного газа следует начинать до включения сварочного тока, а прекращать после выключения тока и остывания электрода.
Циркониевые и гафниевые электроды используют в горелках для плазменной сварки. Сварка графитовым электродом используется очень редко – главным образом для получения сварных соединений неответственного назначения при изготовлении изделий из низкоуглеродистой стали, заваривании дефектов на чугунном литье и при сварке меди в азоте на постоянном токе прямой полярности.
Влияние полярности тока на процесс сварки тиг
Полярность тока сварки существенным образом сказывается на характере протекания процесса дуговой сварки в инертном газе вольфрамовым электродом. В отличии от сварки плавящимся электродом (к которой относится сварка ММА и МИГ/МАГ) при сварке неплавящимся электродом в защитной среде инертного газа различия в характере процесса сварки на обратной и прямой полярности носят противоположный характер.
Так при использовании обратной полярности процесс сварки ТИГ характеризуется следующими особенностями:
Сниженный ввод тепла в изделие и повышенный в электрод (поэтому при сварке на обратной полярности неплавящийся электрод должен быть большего диаметра при одном и том же токе; в противном случае он будет перегреваться и быстро разрушится);
- зона расплавления основного металла широкая, но неглубокая;
- наблюдается эффект катодной чистки поверхности основного металла, когда под действием потока положительных ионов происходит разрушение окисной и нитридной пленок (так называемое катодное распыление), что улучшает сплавление кромок и формирование шва.
В то время как при сварке на прямой полярности наблюдается:
Повышенный ввод тепла в изделие и сниженный в электрод;
- зона расплавления основного металла узкая, но глубокая.
Как и в случае сварки ММА и МИГ/МАГ, различия свойств дуги при прямой и обратной полярности при сварке ТИГ связаны с несимметричностью выделения энергии на катоде и аноде. Эта несимметричность, в свою очередь, определяется разностью в значениях падения напряжения в анодной и катодной областях дуги. В условиях сварки неплавящимся электродом катодное падение напряжения значительно ниже анодного падения напряжения, поэтому тепла на катоде выделяется меньше, чем на аноде.
Ниже приведен примерный объем выделения тепла на различных участках дуги применительно к сварке ТИГ при токе сварки 100 А и при использовании прямой полярности (как произведение падения напряжения в соответствующей области дуги на ток сварки):
В катодной области: 4 В х 100 А = 0,4 кВт на длине ≈ 0,0001 мм
- в столбе дуги: 5 В х 100 А = 0,5 кВт на длине ≈ 5 мм
- в анодной области: 10 В х 100 А = 1,0 кВт на длине ≈ 0,001 мм.
В связи с тем, что при сварке на прямой полярности наблюдается повышенный ввод тепла в изделие и сниженный в электрод, при сварке на постоянном токе используют прямую полярность. При этом, благодаря тому, что тепло выделяется, в основном, в анодной области, плавятся только те участки основного металла, на которые направляется дуга, т.е. где оказывается размещенным анод.
Основные международные обозначения, относящиеся к сварке ТИГ
TIG - Такое сокращение названия этого процесса принято в Европе. TIG - Tungsten Inert Gas (tungsten – вольфрам на английском языке).
WIG - Так принято для краткости называть этот процесс в Германии. WIG – Wolfram-Inertgasschweiβen (wolfram – вольфрам на немецком языке).
TIG-DC - способ ТИГ на постоянном токе (DC - direct current - постоянный ток на английском языке).
TIG-AC - способ ТИГ на переменном токе (AC – alternating current – переменный ток на английском языке).
TIG-HF - способ ТИГ с системой бесконтактного возбуждения дуги высоковольтным и высокочастотным разрядом; HF - high frequency – высокая частота на английском языке.
 |
 |
 |
 |
При этом используется осциллятор, который вырабатывает кратковременный импульс напряжения, обеспечивающий пробой и последовательное развитие искрового разряда вплоть до дугового. Благодаря высокой частоте и малой мощности осциллятора высокое напряжение неопасно для человека. Высокочастотный поджиг обеспечивает самое высокое качество сварного шва, так как при нем не происходит контакта вольфрамового электрода с изделием, и, поэтому, исключается попадание частичек вольфрама в сварочную ванну. При таком поджиге также не происходит разрушения торца вольфрамового электрода. Однако, применение осцилляторов может приводить к выходу из строя устройств чувствительных к электромагнитному воздействию.
TIG-Contact или SCRATCH START - способ ТИГ с контактным возбуждением дуги касанием вольфрамового электрода изделия ("чирканьем" торца вольфрамового электрода по поверхности изделия, наподобие того, как это делается при сварке покрытыми электродами). При этом способе зажигания дуги возможно попадание частичек вольфрама в сварочную ванну, а также имеет место разрушение торца вольфрамового электрода, так как в момент контакта электрода с изделием протекает ток короткого замыкания.
TIG-LIFT ARC (TIG-LIFT IGNITION, LIFTIG) - способ ТИГ с контактным возбуждением дуги когда в момент короткого замыкания протекает заблаговременно сниженный ток.
Этот способ зажигания дуги, хотя и не исключает контакта электрода с изделием, не имеет недостатков предыдущего способа, так как в момент КЗ протекает заблаговременно сниженный ток.
Настройка параметров сварки ТИГ
На рисунке ниже показана последовательность определения и регулировки параметров сварки ТИГ.
Техника сварки ТИГ
При сварке ТИГ боковой угол горелки должен всегда поддерживаться равным 90 градусам. Горелку следует держать под углом В то время как угол наклона горелки к поверхности изделия в направлении обратном сварке должен составлять 70 … 80 градусов. Присадка подается по мере перемещения горелки под углом от 15 до 30° к основному металлу.
Сварка ТИГ выполняется "углом вперед" (т.е. горелка наклонена в сторону формирующегося сварного шва) с регулярной подачей присадки мелкими шагами. При сварке очень важно, чтобы конец присадочной проволоки не выводился из зоны газовой защиты; в противном случае, будучи расплавленным или нагретым, он окислится от контакта с окружающим воздухом. Любая степень окисления или загрязнения присадочной проволоки неизбежно вызовет загрязнение сварочной ванны. Поэтому очень важно, чтобы сварщик использовал присадочные прудки чистые грязи, смазки или влаги. Обычно грязь и смазка попадает на присадочный металл с грязных рукавиц. Поэтому, непосредственно перед сваркой, очень желательно обрабатывать прутки, например, ацетоном. Смазка и влага, как на присадочном прутке, так и на основном металле могут вызвать серьезные дефекты сварного шва, такие как пористость, водородное растрескивание и др.
Особенности сварки алюминия и алюминиевых сплавов
При сварке ТИГ большинства металлов используется постоянный ток прямой полярности. Однако эти условия сварки неприемлемы, когда речь идет об алюминии и магнии. Обусловлено это наличием на поверхности этих металлов прочной и тугоплавкой окисной пленки. Алюминий характеризуется высокой химической активностью. Он легко вступает во взаимодействие с кислородом воздуха, т.е. окисляется. При этом образуется тонкая плотная пленка из оксида алюминия (Al 2 O 3). Своей высокой коррозионной стойкостью алюминий обязан именно этой пленке. Температура плавления чистого алюминия – 660 ºС, а температура плавления окиси алюминия более чем в три раза выше – 2030 ºС. Окись алюминия – это керамический материал, твердый и не электропроводный. При расплавлении алюминия он растекается крупными каплями удерживаемыми от слияния окисной пленкой. В случае если фрагменты пленки окажутся в закристаллизовавшемся металле шва, то его механические свойства ухудшаться. Таким образом, для того чтобы сварить вместе две алюминиевые детали, прежде всего, необходимо эту окисную пленку разрушить. Это можно выполнить:
Механически (однако, это практически невозможно, так как из-за высокой химической активности алюминия он тут же вступает в связь с кислородом, и новый слой окиси алюминия начинает образовываться. Причем, в условиях дуговой сварки при высокой температуре окисление алюминия и образование окисной пленки происходит еще более интенсивно);
- химической обработкой (довольно сложно и трудоемко);
- сваркой на обратной полярности;
- сваркой на переменном токе.
При подключении электрода к отрицательному полюсу (сварка на прямой полярности) изделию будет передаваться значительное количество тепла, однако пленка разрушаться не будет. Если полярность изменить и подключить электрод к положительному полюсу (сварка на обратной полярности), то тепла изделию будет передаваться меньше, однако, как только будет возбуждена дуга, окисная пленка начнет разрушаться (происходит, так называемая катодная очистка).
Существует две теории, объясняющие механизм разрушения окисной пленки на обратной полярности.
Катодное пятно, перемещаясь по поверхности сварочной ванны, приводит к испарению окислов алюминия, при этом эмиссия электронов с активных катодных пятен отталкивает фрагменты окисной пленки к краям сварочной ванны, где они формируют тонкие полоски.
Поток ионов обладает достаточной кинетической энергией, чтобы при столкновении с поверхностью катода разрушать окисную пленку (аналогичный эффект имеет место при пескоструйной обработке). В пользу этой теории говорит тот факт, что чистящий эффект выше при использовании инертных газов с более высоким атомарным весом (аргон)
Однако наряду с этим положительным явлением будут наблюдаться такие отрицательные последствия сварки на обратной полярности как перегрев электрода, на котором будет выделяться слишком много тепла (вызывая его перегрев), и низкое проплавление основного металла. Решением этих проблем является сварка на переменном токе. Комбинация прямой и обратной полярности позволяет использовать преимущества обоих полярностей; мы получаем и необходимое тепловложение (т.е. проплавление основного металла) в полупериоды прямой полярности и очистку поверхности от окиси алюминия (в полупериоды обратной полярности). Сварка на переменном токе этой частотой является идеальным процессом соединения всех типов алюминиевых и магниевых сплавов.
Достоинства и недостатки процесса ручной сварки ТИГ
По сравнению с другими способами сварки (ММА, МИГ/МАГ, сварка под флюсом) сварка ТИГ характеризуется следующими преимуществами:
Позволяет получить сварные швы высокого качества применительно к практически всем металлам и сплавам (включая трудносвариваемые и разнородные, например алюминий со сталью);
- обеспечивается хороший визуальный контроль сварочной ванны и дуги;
- благодаря отсутствию переноса металла через дугу не имеет места разбрызгивание металла;
- практически не требуется обработка поверхности шва после сварки;
- как и в случае сварочных процессов МИГ/МАГ и ММА сварку ТИГ можно выполнять во всех пространственных положениях;
- также как и в случае сварки МИГ/МАГ при сварке ТИГ нет шлака, а это означает, что не бывает шлаковых включений в металл шва.
К недостаткам этого способа сварки можно отнести низкую производительность, сложность и высокую стоимость источника питания (по сравнению со сваркой плавящимся электродом).
Охрана здоровья и охрана труда применительно к процессу сварки TIG
Ниже изложены некоторые дополнительные меры предосторожности относительно сварки ТИГ. На первый взгляд этот способ сварки представляется наименее опасным, так как, либо дымов вообще не видно, либо они выделяются в очень небольшом объеме. Но нельзя обманываться, считая, что при этом способе сварки вообще не выделяются опасные вещества. Они выделяются и могут попадать во вдыхаемый воздух. Концентрация опасных веществ зависит от силы тока сварки, от типа стали (нелегированная, низколегированная или высоколегированная) и от степени очистки поверхности основного металла от, например, масла, используемого при резке металла или от антикоррозионных покрытий.Единственно верным выбором для сварки TIG являются электроды из вольфрама &ndash. только они способны выдерживать предельные температуры при сварке металла. Помимо этого обязательного свойства, вольфрам обладает хорошими показателями термоэлектронной эмиссии и стойкости к эрозии.
Сварку с применением инертного газа и неплавких электродов используют на постоянном токе (TIG-DC) для сталей, а на переменном (TIG-AС) для деталей из алюминия (Al) и магния (Mg).
В случае с постоянным током, электроды предварительно должны пройти подготовку к работе &ndash. заточку. В зависимости от требований сварки, допустимый угол заточки от 20°. до 90°., а наилучшая стабильность дуги наблюдается при углах 30°.-60°. (Рис.1). В зависимости от этого угла, изменяется ширина сварочного шва и проплавляющая способность электрода.
При работе сварки в режиме TIG-AC рабочий конец электрода самостоятельно принимает сферическую форму, поэтому его достаточно лишь немного обточить, либо просто сохранить первоначальную форму (Рис.2).
Успешной практикой стало добавление в вольфрамовый электрод примесей, для повышения его сварочных характеристик.
По виду внесённой примеси, различают следующие вольфрамовые электроды:
Маркировка: WP
Цветовой код: зелёный
Легирующая добавка: нет
Электрод без примесей. Имеет хорошие показатели сварочной дуги в режиме TIG-AC. С его помощью обычно варят алюминиевые и магниевые детали.
Маркировка: WT-20
Цветовой код: красный
Легирующая добавка: торий (~ 2%)
Самый популярный тип вольфрамового электрода. Некоторые и вовсе считают его универсальным и используют буквально для любых задач. Профессионалы же придерживаются несколько иного мнения &ndash. добавка тория действительно улучшила способность термоэлектронной эмиссии и сделала его лидером по показателям среди тугоплавких электродов, но целесообразнее всего его использовать для работ по нержавейке, титану и никелевым сплавам в режиме TIG-DC.
Внимание! Из-за радиоактивной природы тория, использование электродов WT-20 может спровоцировать возникновение серьёзных заболеваний. Поэтому работа с ними должна проходить в строжайшем соответствии со всеми требованиями техники безопасности и в помещениях с хорошей вентиляцией.
Маркировка: WC-20
Цветовой код: серый
Легирующая добавка: оксид церия (~ 2%)
Этот электрод имеет более высокие показатели работы сварки, по сравнению с WP и считается лучшей "чистой" альтернативой ториевого. Он обеспечивает хорошую стабильность дуги при низком токе, поэтому нашёл широкое применение в сварке тонколистного металла в режиме TIG-DC.
Маркировка: WL-15
Цветовой код: золотистый
Легирующая добавка: оксид лантана (~ 1,5%)
Ещё одна возможная замена электрода WT-20. Имеет хорошие показатели при сварке на любом токе и является лучшим вариантом для работы с алюминием.
Вольфрамовый электрод – неплавящийся проводник, используемый для сварочных работ в среде защитного газа аргона или гелия. В отличие от других видов сварки, данный электрод только вызывает образование дуги и удерживает ее, не являясь при этом припоем.
Вольфрам как нельзя лучше подошел для этих целей, как самый тугоплавкий металл, известный на данный момент. Вольфрамовые электроды могут проводить ток, длительное время выдерживать высокие температуры и плавится при этом в десятки раз медленней, чем другие металлы в аналогичных условиях. Сейчас на рынке этот материал получил обширную классификацию, что позволяет подбирать качественный электрод под сварочные условия.
Вольфрамовые электроды разделяют на классы, облегчающие работу сварщиков по подборке прутков, подходящих под условия сварки. Так, чтобы получить качественный шов на постоянном токе прямой и обратной полярности нужны разные неплавящиеся электроды, а ведь есть еще и переменный ток. Эти и другие критерии и обуславливают существующую классификацию вольфрамовых стержней.
Все существующие обозначения электродов вольфрамовых подходят под международные стандарты DIN EN 26848 , а значит, независимо от места производства, согласно маркировке вы можете подобрать нужный материал.
Маркировка отражает все необходимые характеристики электрода – химический состав, размер прутка.
Всегда первый символ в маркировке «W» – обозначающий металл вольфрам. Второй символ обозначает тип металла, или металлов. Первым числом идет число, обозначающее долю лигатур на 1000 долей вольфрама, то есть число 20 будет означать 2% примесей, 8 – 0.8% и так далее. Второе число обозначает длину электрода, самым распространенным размером считается пруток 175 мм, но на рынке доступны изделия длиной 50, 175, 150 мм.
Чистые вольфрамовые электроды с трудом используют сварочные аппараты TIG, поэтому к сплаву добавляют различные примеси. Лигатуры нужны, чтобы придать электроду требуемых характеристик плавкости, дугообразования, проводимости, прочности и др.
- “WP” – международное обозначение электродов из чистого вольфрама, а точнее в таком изделии не меньше 99.5% металла. Как уже говорилось ранее изделие специфическое имеет ряд условий для использования и заточки. Маркируются зеленым цветом.
- “C” – данный символ в маркировке обозначает примесь Церия (нерадиоактивного редкоземельного металла). Маркируются изделия серым цветом. WC неплавящиеся электроды – универсальные и подходят как для работы с постоянным, так и с переменным током.
- “Т” - диоксид тория. Такие стержни маркируют красным цветом. Их используют для большей части работ с цветными металлами, низколегированными сталями, углеродистыми сплавами, нержавейкой. Благодаря длинному перечню доступных для работы сплавов ториевые стержни стали одними из наиболее используемых. Но есть один весомый недостаток, связанный с радиоактивностью лигатуры. Именно поэтому стержни маркируются ярким цветом. Чтобы избежать неприятных последствий рекомендую строго соблюдать все требования безопасности, начиная с использования защитной одежды и маски, заканчивая тщательной вентиляцией рабочего помещения. Еще один плюс WТ прутков – прочность, которая даже больше, чем сварка вольфрамовым электродом из чистого металла.
- “Y” - диоксид иттрия. Стержни применяемые при работах на прямой полярности постоянного тока, маркируются темно-синим цветом. Ими варят конструкции, которые должны выдерживать высокую силу тока. Подходит электрод Y неплавящийся для работы с титаном, медью, высоколегированными и низколегированными сталями.
- “Z” - оксид циркония. Используется при работе переменным током с алюминием и медью. Изделия маркируются белым цветом. Сплав в котором всего 0.8% оксида циркония позволяет получать идеально стабильную дугу, но с условием должной зачистки сварочной плоскости.
- “L” - оксид лантана. Данный металл в изделиях продается с различной маркировкой, обозначающей 1.5% примеси (наконечник окрашен в цвет золота) и 2% лантана (наконечник светло-синего цвета). Изделия относят к универсальным, способным работать с переменным и постоянным током. Характеризуют высокой прочностью самого сплава, способностью работать при высоких мощностях и стойкостью к удерживанию заточки прутка. Применение данных стержней на аргоновой сварке позволяет реже проводить ревизию заточки.
Предлагаем ознакомиться с особенностями применения каждого вида электродов посредством сравнительной таблицы.
Таблица сравнения вольфрамовых электродов
Хочется отметить,что на рынке встречаются отечественные электроды длиной 1000 мм и диаметров 1.6; 2,0, 3.0, 4.0 мм. Их маркировка отличается от международной:
- “ВЛ/ЭВЛ-2” -Универсальный вольфрамовый электрод с оксидом лантана La2O3 сварка всех типов сталей и сплавов на переменном и постоянном токе.
- “ЭВИ-1/СВИ-1” – Иттрированный электрод. Сварка особо ответственных конструкций из углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей, титана, меди и их сплавов на постоянном токе
Заточка вольфрамовых электродов
Сварочные инверторы TIG технологии позволяют получить ровный шов, который зависит от множества технологических процессов, в их число входит знание, как заточить неплавящийся вольфрамовый электрод.
Каждый сварщик, работающий с аргонодуговым аппаратом должен знать все особенности этого процесса. Наконечник неплавящегося прутка играет роль проводника тока, вызывает образование дуги и отвечает за ее удержание. Если электрод будет заточен неправильно или вовсе не будет заточен, то дуга начнет «скакать», а значит получить качественный, ровный шов уже не получится.
Обратите внимание! Форма заточки зависит от типа электрода, а также от свариваемого металла.
Грубо говоря, существует лишь две формы, по которым необходимо делать заточку, это:
- Сфера;
- Конус.
Под сферу затачиваются окончания прутков из чистого вольфрама и с примесью лантана, то есть марки WP, WL. На грани между двумя формами располагаются электроды из вольфрама WT, которые имеют скругленное окончание конуса. Марки вольфрамовых электродов не вошедших в описание затачиваются строго под конус.
При сварке алюминия электроды для аргонодуговой сварки должны быть сферической формы на конце, но «шарик» формируется сам в процессе варки, поэтому делать его вручную нецелесообразно.
Особенности заточки
С формой заточки мы разобрались, но как узнать угол и длину затачиваемого участка? Чтобы узнать длину необходимо воспользоваться простой формулой. Для этого берем диаметр прутка и умножаем его на 2.5. Полученное число (в миллиметрах) и есть длина участка для заточки. Выдержать оптимальный угол заточки сложней.
Согласно ГОСТ вольфрамовые электроды точатся так, чтобы угол конуса составлял 28-30 градусов.
Споры по поводу оптимального угла заточки ведутся и по сей день, ведь при более остром угле в 17 градусов, можно получить наиболее качественный провар, что очень важно при работе с толстым металлом и несущими конструкциями. С другой стороны угол 60 градусов стабилизирует дугу, поэтому сам процесс сваривания проходит быстрей и проще, но при этом снижается провар. Поэтому используйте оптимальный угол заточки, подобранный под все случаи.
Влияние угла заточки на глубину провара
Ручная заточка – процесс не сложный, но выдержать значения, в пределах допуска заточки очень сложно. Наиболее точный результат можно получить если зажать пруток в патрон дрели и на малых оборотах точить наждаком или болгаркой.
Чтобы избежать погрешностей, можно приобрести специальное точильное оборудование. Оно позволит добиться идеальной, станочной заточки. Состоит такой станок из электродвигателя, алмазного диска, регулятора оборотов и угла заточки.
При ручной заточке могут проявиться следующие ошибки:
- Ширина больше или меньше нормы – приводит к снижению проплавления шва.
- Несимметричная заточка – неконтролируемое передвижение сварочной дуги.
- Слишком острый угол – электрод вольфрамовый начинает быстро плавится.
- Тупой угол заточки – снижается проварка шва.
- Риски – блуждание дуги.
Как видите, заточка влияет на множество параметров сварки, поэтому пренебрегать ее качеством не стоит. Если вы проводите много времени работая, с аргонодуговой сваркой, то есть смысл приобрести специальный затачивающий станок. В случае если сварочные работы проводятся нечасто, можно затачивать прутки у специалистов. Не забывайте и про то, что электроды вольфрамовые точатся не только под марку электрода, но и под конкретный металл.
Вольфрамовый электрод нашел применение в среде защитных газов (гелий, аргон). Реже используется при плазменной резке и наплавке.
Вольфрамовые электроды для аргонодуговой сварки обладают высокой тугоплавкостью (3000 градусов). Изготовляются методом порошковой прессовки. Кроме вольфрама (температура кипения 5800 градусов) в составе в зависимости от марки изделия, присутствуют оксиды:
- церия;
- тория;
- иттрия;
- лантана;
- циркония.
Для удобства сварщиков на неплавящиеся электроды наносится цветная маркировка.
1) WP (зеленый наконечник) — содержание вольфрама 99,5%, для сварочных работ с магнием (сплавами), алюминием. Большое содержание вольфрама повышает устойчивость дуги на переменном токе в среде гелия и аргона. Рабочую зону электрода делают в виде нароста-шарика.
2) WT-20 (красный код) — добавлен диоксид тория (2%).
Соединение на постоянном токе: меди, титана и нержавеющих, низколегированных, углеродистых сталей. Марка востребованная, но торий — радиоактивный материал, при заточке торированных электродов образуется пыль вредящая здоровью человека. Рабочая зона сварщика нуждается в хорошей вентиляции. WT-20 сохраняют форму электрода при любой силе тока, а угол заточки изменяется под сварочные нужды.
3) WС-20 (серый наконечник) — добавлен диоксид церия (2%).
Марка применяется для сварки сталей и сплавов на постоянном и переменном токе. Деоксид церия (нерадиоактивный элемент) улучшает запуск дуги и повышает допустимые значения тока. WС-20 используется для сварки тонколистовой стали, трубопроводов и орбитальных труб. Недостаток цериевых изделий в концентрации оксида в рабочей зоне электрода.
4) WY-20 (тёмно-синий наконечник) с добавкой диоксида иттрия (2%).
Варят на постоянном токе медь, титан (сплавы) и стали — нержавеющие, углеродистые, низколегированные. Иттрированная добавка улучшает устойчивость дуги во всех токовых режимах.
5) WZ-8 (белая маркировка) — оксид циркония (0.8%).
Для сварки на переменном токе алюминия, магния и сплавов. Рабочая зона электродов с цирконием в форме сферы, превосходит по токовой нагрузке другие изделия.
6) Вольфрамовые электроды для аргонодуговой сварки с включениями окиси лантана:
WL-15 (цвет золотистый), 1.5% оксида лантана;
WL-20 (код синий), 2% лантана;
WR-2 (бирюзовый наконечник) — оксид лантана (1.4%).
Изделия с оксидом лантана имеют легкий запуск и устойчивую дугу, прожоги металла минимальные, уменьшенный износ рабочей зоны электрода. Применяются для всех видов сталей и сплавов.
Размеры и цены на электроды:
- длина — 175 мм;
- диаметр от 1 до 5 мм.
Самые популярные диаметры — 1,6-2,5 мм.
Цена на вольфрамовые изделия зависит от производителя, марки и диаметра электрода.
Стоимость WL-15 из Китая (1.0 мм, универсальный) — 40 рублей. Германское изделие TBi D (3.0 мм, красный для нержавеющей стали) обойдется в 340 рублей. За китайский WT-20 (5.0 мм, красный для нержавеющей стали) придется выложить 900 рублей.
Как правильно затачивать вольфрамовые изделия
Перед работой электроды для аргонной сварки затачиваются. Для получения правильной длины заточки, аргонщики советуют простую формулу: диаметр электрода умножить на 2,5.
Например, диаметр 3,2 мм умножаем на 2,5 и получаем длину заточки 8 мм (рисунок выше).
При на переменном токе, шарик на вольфрамовом изделии образуется САМ. Специально притуплять электрод, делая полусферой — не обязательно.
Электрод стачивается вдоль, как карандаш. Если затачивать поперек, то риски от абразива создадут препятствия для стабильной дуги.
Точить можно наждаком или болгаркой, вращая изделие в руках. Для равномерной заточки, можно стержень закрепить в патроне шуруповерта или электродрели, выставив малые обороты вращения.
По технике безопасности, одевайте маску для защиты органов дыхания от пыли.
Автоматизация процесса заточки
Продаются специальные машинки для заточки вольфрамовых электродов для аргоновой сварки. В комплектацию входит — ударопрочный чемодан для хранения прибора, электромашинка, приспособление для фиксации электрода в держателе.
Устройство машинки включает:
- абразивный алмазный диск с односторонним покрытием;
- регулировка количества оборотов;
- фильтр для мелкодисперсной вольфрамовой пыли;
- регулировка угла заточки от 15 до 180 градусов.
Желающие приобретают это устройство для домашних нужд.
P.S. В процессе практики, вы отдадите предпочтение полюбившимся электродным маркам, которые будете использовать чаще всего.
Загрузка...
