W ostatnim czasie ciągle doskonalone procesy MIG/MAG oraz ich pochodne stały się coraz większą konkurencją dla metody spawania TIG. Metody te podnoszą znacząco wydajność produkcji, bez ustępstw w zakresie jakości. Pomimo niższej prędkości spawania i mniejszej wydajności stapiania, proces TIG jest bez wątpienia w przypadku wielu zastosowań wciąż jeszcze gwarantem najwyższej możliwej jakości wyników. Natomiast nowości związane z dziedziną źródeł prądu spawalniczego stwarzają wciąż szanse na przyszłościowe wykorzystanie spawania TIG. Poniżej przedstawione zostały dokładniej podstawy tego procesu.
Zasada działania
Głównym elementem palnika TIG jest nietopliwa, odporna na temperaturę elektroda wolframowa. Wytwarzany przy jej udziale łuk spawalniczy rozgrzewa i upłynnia materiał. Drut spawalniczy jest doprowadzany w razie potrzeby ręcznie lub za pomocą podajnika. W wielu przypadkach niewielka szczelina spawana nie wymaga w ogóle zastosowania materiału dodatkowego. Zajarzenie łuku spawalniczego odbywa się zwykle bez zetknięcia elektrody wolframowej z elementem. Służy do tego źródło wysokiego napięcia, włączane przejściowo na czas zajarzenia. Spawanie przebiega w przypadku większej części metali z zastosowaniem prądu stałego. Jedynie aluminium spawane jest przy użyciu prądu przemiennego.
Elektrodę wolframową otacza dysza doprowadzająca gaz ochronny. Wypływający strumień gazu chroni rozgrzany materiał przed reakcjami chemicznymi z otaczającym powietrzem i zapewnia w ten sposób oczekiwaną wytrzymałość i ciągliwość stopiwa. Jako gazy ochronne stosowane są gazy szlachetne: argon, hel oraz ich mieszanki. W odosobnionych przypadkach stosowany jest również wodór. Wszystkie te gazy są obojętne, na co wskazuje ich pochodzące z języka greckiego określenie „inert”. Nazwa metody pochodzi od określenia rodzaju gazu ochronnego oraz materiału elektrody. Stosowany powszechnie skrót nazwy TIG odnosi się do nazwy w języku angielskim – Tungsten Inert Gas.
Najczęściej stosowanym w spawaniu TIG gazem ochronnym jest argon. Optymalizuje on właściwości zajarzenia oraz stabilność łuku spawalniczego i tworzy lepszą strefę oczyszczania, niż hel. Hel z kolei umożliwia bardzo szerokie i głębokie wtopienie, dzięki swemu przewodnictwu cieplnemu, wyższemu dziewięciokrotnie, niż przewodnictwo argonu. W przypadku spawania aluminium ogranicza powstawanie porów. Ponadto do spawania stali austenitycznych stosowany jest również wodór, przy czym jego ilość to 2% do 5%, zaś resztę mieszaniny stanowi argon. Przewodnictwo cieplne wodoru jest nawet jedenastokrotnie wyższe, niż argonu, dzięki czemu można osiągnąć bardzo głębokie wtopienie i nadzwyczaj efektywne odgazowanie.
Podczas spawania materiałów odpornych na korozję, jak np. stale nierdzewne, rozgrzane obszary krawędzi utleniają się w następstwie nie zawsze możliwego do uniknięcia kontaktu z tlenem zawartym w powietrzu. Powstają tzw. barwy nalotowe. Można je usunąć za pomocą obróbki dodatkowej, w wyniku czego przywracana jest odporność na korozję. O wiele bardziej efektywne podejście zakłada unikanie barw nalotowych w ogóle. Jest to możliwe dzięki tzw. gazom formującym. Gazy formujące utrzymują powietrze z dala od stref krawędzi spoiny, a w niektórych przypadkach mają nawet wpływ na ukształtowanie grani spoiny. Jako gazy formujące służą przede wszystkim mieszanki wodoru i azotu, lecz stosowany jest również argon.
Zastosowanie i zalety
Spawanie TIG to metoda wszechstronna, którą można stosować do wszystkich materiałów spawalnych i zastosowań. Głównym obszarem wykorzystania jest spawanie stali nierdzewnych, stopów aluminium oraz niklu. Skoncentrowany, stabilny łuk spawalniczy gwarantuje wysoką jakość spawanego materiału i równą spoinę, bez rozprysków i żużla. Dlatego też metoda ta stosowana jest w pierwszym rzędzie w przypadku zastosowań o najwyższych wymogach jakościowych, jak np. do budowy rurociągów w reaktorach. Ponadto często zbędne jest stosowanie spoiwa. Zmechanizowane doprowadzanie drutu zapewnia w przypadku blach o grubości poniżej 4 mm jak najbardziej ekonomiczne prędkości spawania. Jedynie spawanie grubszych blach wiąże się z ograniczeniem rentowności, przy czym zaleca się spawanie metodą TIG tylko warstw graniowych spoiny. Spawanie warstw wypełniających lepiej wykonać bardziej wydajną metodą, jak np. MIG/MAG lub też spawanie łukiem krytym.
W wielu przypadkach zastosowanie pulsującego prądu spawalniczego ma tę zaletę, że można uniknąć intensywnego stapiania materiału podstawowego i zapadnięcia się łączącej się z nim spoiny. Z tego powodu łatwiej jest opanować tworzenie spoiny zwłaszcza w przypadku cienkich blach, ponieważ materiał podstawowy stapia się tylko fragmentami i ponownie krzepnie.
Wszędzie tam, gdzie aluminium wystawione jest na działanie powietrza, na jego powierzchni powstaje natychmiast warstwa utleniona o temperaturze topnienia 2015 °C. Samo aluminium topi się jednakże już w temperaturze 650 °C. Gdyby warstwa utleniona pozostała, stopione aluminium spłynęłoby po warstwie utlenionej, a wykonanie połączenia spawanego byłoby niemożliwe. Dlatego też warstwę utlenioną należy usunąć, np. poprzez zmianę bieguna elektrody na dodatni. Wadą tego rozwiązania byłoby pogorszenie właściwości spawania, ponieważ elektroda wolframowa w metodzie spawania TIG musi mieć biegunowość ujemną. Rozwiązaniem jest spawanie z zastosowaniem prądu przemiennego. Podczas dodatniej połowy fali zostaje usunięta warstwa utleniona. Półfala ujemna powiększa wtopienie i zapewnia niezbędną moc spawania.
Technika
Niezależnie od długości łuku spawalniczego, idealne źródło prądu spawalniczego TIG wytwarza prawie stały prąd wyjściowy. Ponadto niezbędna jest płynna regulacja prądu dla wszystkich grubości blach, w związku z czym typowe, tyrystorowe źródła prądu spawalniczego, wyposażone są w prostownik, podłączony za transformatorem spawalniczym. Wadą tyrystorowych źródeł prądu spawalniczego jest niski współczynnik sprawności, ze względu niezbędną, bardzo dużą cewkę wyjściową, służącą do wygładzania prądu spawalniczego.
Nowoczesne, inwerterowe źródła prądu spawalniczego są wolne od takich ograniczeń i zapewniają dodatkową zaletę w postaci szybszej reakcji na zmiany w procesie spawania. Do transformatora trafia nie napięcie sieciowe, lecz wygenerowane z niego, pulsujące napięcie o dużo wyższej częstotliwości. Zaś transformator, ze względu na wysoką częstotliwość, może być o wiele lżejszy, mniejszy i bardziej efektywny, niż tyrystorowe źródła prądu spawalniczego. Niska falistość prądu wyjściowego transformatora umożliwia wykonanie znacznie bardziej zwartej konstrukcji lub też całkowite zrezygnowanie z cewki wyjściowej. Prostownik składa się jedynie z niesterowanych diod.
W celu wytworzenia prądu przemiennego (AC) do spawania aluminium, źródła prądu spawalniczego, umożliwiające pracę z użyciem prądu przemiennego, wyposażone są w falownik, podłączony za prostownikiem. Wiele źródeł prądu spawalniczego umożliwia ustawienie sinusoidalnego lub prostokątnego prądu przemiennego, jak również połączenie obu typów. Sinusoidalny prąd spawalniczy charakteryzuje się niestabilnym, chociaż bardzo cichym łukiem spawalniczym. W przypadku prądu o charakterystyce prostokątnej prąd spawalniczy stabilizuje łuk spawalniczy. Jednakże znacznie większe odgłosy pracy wymagają zastosowania środków ochrony słuchu. Bardzo stabilne i zarazem nadzwyczaj ciche jest połączenie sinusoidalnego i prostokątnego prądu spawalniczego.
Palniki spawalnicze TIG dostępne są zarówno w wersji z chłodzeniem gazowym, jak i z chłodzeniem wodnym. Chłodzone gazem palniki spawalnicze są chłodzone przez przepływający gaz ochronny, podczas gdy palniki z chłodzeniem wodnym wyposażone są dodatkowo w wydajny układ chłodzenia cieczą wraz z pompą i wymiennikiem ciepła. Dostępne są również palniki spawalnicze TIG ze zintegrowanym mechanizmem do maszynowego doprowadzania drutu.
Podsumowanie
Proces TIG nie należy z pewnością do najbardziej ekonomicznych metod spawania. Jednakże ulepszenia w zakresie źródeł prądu spawalniczego, jak również zastosowania zmechanizowane lub zautomatyzowane zapewniają przydatność spawania TIG nawet w produkcji wielkoseryjnej. Niezależnie od tego metoda TIG pozostaje pierwszym i oczywistym wyborem w przypadku wielu zastosowań o wysokich wymaganiach jakościowych.
« wróć do bazy wiedzy