Содержание статьи
Принцип процесса аргонодуговой сварки TIG
Аргонодуговая сварка TIG (Tungsten Inert Gas) представляет собой процесс дуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом в среде защитного инертного газа. Технология получила также обозначение GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) в международной практике и WIG (Wolfram Inert Gas) в немецкоязычных странах.
Физическая сущность процесса заключается в формировании электрической дуги между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемым металлом. Вольфрам выбран в качестве материала электрода благодаря его исключительным физическим свойствам: температура плавления составляет 3422 градуса Цельсия, что значительно превышает температуру сварочной дуги. Это обеспечивает стабильность геометрии электрода в процессе сварки и исключает попадание материала электрода в сварочную ванну.
Защитный газ, как правило аргон, подается через сопло горелки в зону сварки. Аргон, являясь инертным газом с плотностью 1,78 кг на кубический метр, эффективно вытесняет кислород и азот из зоны сварки, предотвращая окисление расплавленного металла и формирование нитридов. Вследствие большей плотности по сравнению с воздухом, аргон создает стабильную защитную атмосферу над сварочной ванной.
Механизм ионизации дуги
Для возбуждения дуги в среде инертного газа применяется осциллятор – устройство, генерирующее высокочастотные импульсы напряжения до 3-5 кВ. Высокочастотные колебания создают условия для ионизации газа без непосредственного контакта электрода с изделием, что критически важно для предотвращения загрязнения вольфрамового электрода.
Формирование сварного соединения происходит за счет расплавления кромок основного металла и, при необходимости, присадочного материала. Присадочная проволока подается в головную часть сварочной ванны под углом 15-20 градусов к поверхности изделия. Движение горелки осуществляется строго вдоль оси шва без поперечных колебаний, что обусловливает формирование узкого шва с высокой степенью проплавления.
Оборудование для TIG сварки: типы AC/DC
Сварочное оборудование для аргонодуговой сварки классифицируется по роду применяемого тока на установки постоянного тока (DC), переменного тока (AC) и универсальные установки (AC/DC).
Оборудование постоянного тока (TIG-DC)
Установки постоянного тока предназначены для сварки углеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей, меди, титана и их сплавов. При сварке на постоянном токе применяется прямая полярность: отрицательный полюс источника питания подключается к электроду, положительный – к изделию. Данная схема подключения обеспечивает концентрацию 70 процентов тепловой энергии дуги на изделии, что обеспечивает эффективное проплавление металла при минимальном нагреве электрода.
Преимущества сварки на постоянном токе прямой полярности
Глубокое проплавление основного металла, стабильное горение дуги, минимальный расход вольфрамового электрода, возможность применения электродов меньшего диаметра по сравнению с обратной полярностью.
Оборудование переменного тока (TIG-AC)
Установки переменного тока применяются преимущественно для сварки алюминия, магния и их сплавов. Специфика сварки данных материалов обусловлена наличием на их поверхности тугоплавкой оксидной пленки: температура плавления оксида алюминия составляет 2050 градусов Цельсия при температуре плавления чистого алюминия 660 градусов Цельсия.
При работе на переменном токе в течение положительного полупериода (обратная полярность) происходит катодное распыление – бомбардировка поверхности металла положительными ионами аргона, что обеспечивает эффективное разрушение оксидной пленки. В течение отрицательного полупериода (прямая полярность) осуществляется основное проплавление металла. Современные инверторные источники позволяют регулировать баланс полярности, изменяя соотношение продолжительности положительного и отрицательного полупериодов.
Универсальное оборудование AC/DC
Универсальные установки обеспечивают возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе. Данный тип оборудования характеризуется наличием дополнительных функций: регулировка частоты переменного тока в диапазоне 20-100 Гц, импульсный режим сварки, программирование циклограммы сварочного процесса.
| Тип оборудования | Род тока | Свариваемые материалы | Особенности применения |
|---|---|---|---|
| TIG-DC | Постоянный ток, прямая полярность | Стали, медь, титан, никель | Глубокое проплавление, стабильная дуга |
| TIG-AC | Переменный ток | Алюминий, магний, их сплавы | Разрушение оксидной пленки |
| TIG-AC/DC | Переменный и постоянный ток | Все конструкционные материалы | Универсальность, расширенный функционал |
Основные компоненты сварочной установки
Источник питания: инверторный преобразователь с микропроцессорным управлением, обеспечивающий стабилизацию параметров сварочного тока и напряжения дуги.
Горелка: устройство для удержания вольфрамового электрода и подачи защитного газа. Горелки классифицируются по типу охлаждения на воздушные (до 200 А) и жидкостные (свыше 200 А). Требования к конструкции горелок типов РГА-150 и РГА-400 регламентированы ГОСТ 5.917-71.
Система газоснабжения: баллон с редуктором для регулирования расхода защитного газа, газовые шланги.
Система управления: блок регулировки параметров сварки, включающий установку времени предварительной и послесварочной продувки газом, программирование нарастания и спада тока.
Заточка вольфрамового электрода
Геометрия заточки вольфрамового электрода оказывает определяющее влияние на характеристики сварочной дуги: стабильность горения, глубину проплавления, ширину шва. Форма заточки выбирается в зависимости от рода применяемого тока и диаметра электрода.
Параметры заточки для постоянного тока
При сварке на постоянном токе прямой полярности электрод затачивается в форме конуса с притуплением вершины. Согласно технологическим рекомендациям, угол заточки конуса должен составлять 28-30 градусов, длина конической части – 5-6 диаметров электрода. Диаметр притупления устанавливается в пределах 0,2-0,5 мм.
Расчет длины заточки
Lз = (2,5...3,0) × Dэ
где: Lз – длина затачиваемой части, мм; Dэ – диаметр электрода, мм
Пример: для электрода диаметром 2,4 мм длина заточки составляет 6-7,2 мм.
Исследования показывают, что глубина проплавления существенно зависит от угла заточки электрода. Максимум проплавления наблюдается при угле заточки 30 градусов. При углах менее 20 градусов происходит перегрев и оплавление кончика электрода, при углах более 60 градусов снижается глубина проплавления.
Особенности заточки для переменного тока
При сварке на переменном токе кончику электрода необходимо придать сферическую форму. На практике предварительно выполняется коническая заточка с углом 60-90 градусов с притуплением вершины, после чего в процессе начала сварки кончик электрода самостоятельно формируется в сферу диаметром приблизительно 0,75 диаметра электрода. Искусственное формирование сферы не требуется.
| Диаметр электрода, мм | Угол заточки, градусы | Длина конуса, мм | Диаметр притупления, мм | Сварочный ток, А |
|---|---|---|---|---|
| 1,6 | 20-30 | 4-5 | 0,2-0,3 | 30-80 |
| 2,0 | 20-30 | 5-6 | 0,2-0,3 | 50-130 |
| 2,4 | 25-35 | 6-7 | 0,2-0,4 | 90-180 |
| 3,2 | 30-40 | 8-10 | 0,3-0,5 | 150-250 |
| 4,0 | 40-60 | 10-12 | 0,4-0,5 | 200-320 |
Методы заточки электродов
Заточка вольфрамовых электродов осуществляется с применением специализированных заточных станков с алмазными кругами. Использование универсальных абразивных кругов допускается, однако требует строгого соблюдения направления заточки вдоль оси электрода.
Для обеспечения высокого качества заточки в условиях серийного производства применяются автоматизированные станки, позволяющие выдерживать заданный угол заточки с точностью плюс-минус 2 градуса. Контроль геометрии заточенного электрода производится измерительными приборами или шаблонами.
Режимы и параметры TIG сварки
К основным параметрам режима ручной аргонодуговой сварки относятся: род и полярность сварочного тока, сила тока, напряжение дуги, скорость сварки, расход защитного газа, диаметр электрода и присадочной проволоки.
Сила сварочного тока
Сила тока является определяющим параметром режима сварки, влияющим на глубину проплавления и производительность процесса. Величина сварочного тока выбирается в зависимости от диаметра электрода, толщины свариваемого металла и положения сварки.
| Диаметр электрода, мм | Постоянный ток прямой полярности, А | Переменный ток (алюминий), А | Толщина металла, мм |
|---|---|---|---|
| 1,0 | 15-40 | 10-30 | 0,5-1,0 |
| 1,6 | 30-80 | 25-70 | 1,0-2,0 |
| 2,0 | 50-130 | 40-120 | 2,0-3,0 |
| 2,4 | 90-180 | 80-150 | 3,0-5,0 |
| 3,2 | 150-250 | 130-220 | 5,0-8,0 |
| 4,0 | 200-320 | 180-280 | 8,0-12,0 |
Напряжение дуги
Напряжение на дуге определяется ее длиной и составляет при ручной сварке 10-15 В. Для обеспечения оптимальной защиты сварочной ванны и концентрации тепловой энергии рекомендуется поддерживать минимально возможную длину дуги 1,5-3,0 мм. При увеличении длины дуги возрастает напряжение, расширяется зона проплавления и ухудшается газовая защита.
Расход защитного газа
Расход аргона устанавливается в зависимости от диаметра сопла горелки, силы сварочного тока и условий сварки. В нормальных условиях расход газа составляет 8-12 литров в минуту. При сварке в условиях сквозняков или на открытом воздухе расход увеличивается до 15-20 литров в минуту.
Формула расчета расхода газа
Q = 4 + 0,02 × I
где: Q – расход аргона, л/мин; I – сварочный ток, А
Пример: при токе 150 А расход составляет 4 + 0,02 × 150 = 7 л/мин
Скорость сварки
Скорость сварки выбирается сварщиком в зависимости от толщины металла, положения сварки и требуемой формы шва. Оптимальная скорость обеспечивает формирование равномерного шва с полным проплавлением кромок без прожогов. Типичная скорость при ручной сварке составляет 8-15 метров в час для тонколистового металла и 5-10 метров в час для металла средней толщины.
Импульсный режим сварки
Импульсная сварка характеризуется периодическим изменением силы тока между базовым и пиковым значениями. Частота импульсов устанавливается в диапазоне 0,5-10 Гц, скважность импульса – 10-90 процентов. Импульсный режим снижает среднее тепловложение, уменьшает деформации тонкостенных изделий и обеспечивает формирование мелкокристаллической структуры металла шва.
Область применения технологии
Аргонодуговая сварка TIG применяется в отраслях промышленности, предъявляющих повышенные требования к качеству сварных соединений: авиастроение, космическая техника, атомная энергетика, химическая и пищевая промышленность.
Сварка нержавеющих сталей
Технология TIG является оптимальным методом сварки аустенитных коррозионно-стойких сталей. Защитная среда аргона предотвращает окисление хрома в металле шва, сохраняя коррозионную стойкость материала. Сварка выполняется на постоянном токе прямой полярности с применением присадочной проволоки, легированной хромом и никелем.
Сварка алюминия и его сплавов
Сварка алюминиевых конструкций осуществляется на переменном токе с применением функции балансировки полярности. Регулирование баланса позволяет оптимизировать соотношение между очисткой поверхности от оксидной пленки и проплавлением основного металла. Типичное значение баланса составляет 30-40 процентов времени на положительную полярность.
Сварка титана
Титан и его сплавы свариваются на постоянном токе прямой полярности. Особенностью сварки титана является необходимость защиты обратной стороны шва и зоны нагрева от окисления кислородом воздуха. Для этого применяются специальные подкладки с каналами для подачи аргона или сварка в камерах с контролируемой атмосферой.
Области применения TIG сварки
Изготовление трубопроводов для химической промышленности, производство емкостей для пищевой промышленности, ремонт авиационной техники, изготовление теплообменного оборудования, производство медицинского инструмента, сварка велосипедных рам и мотоциклетных рам, изготовление художественных металлоконструкций.
Типичные дефекты TIG-сварки
Несмотря на высокое качество соединений, получаемых методом TIG, в процессе сварки возможно образование различных дефектов. Классификация дефектов установлена ГОСТ 30242-97.
Трещины
Трещины представляют собой несплошности, образующиеся вследствие местного разрыва металла шва или зоны термического влияния. Различают горячие трещины, возникающие при температуре кристаллизации металла, и холодные трещины, формирующиеся после охлаждения соединения.
Горячие трещины образуются преимущественно при сварке высоколегированных сталей и никелевых сплавов вследствие повышенного содержания серы и фосфора. Холодные трещины возникают в закаливающихся сталях при недостаточном предварительном подогреве и ускоренном охлаждении.
Поры и газовые полости
Поры образуются вследствие выделения растворенных в металле газов при кристаллизации сварочной ванны. Причинами порообразования при TIG сварке являются: загрязнение поверхности металла маслами и влагой, недостаточный расход защитного газа, наличие сквозняков в зоне сварки, повышенное содержание водорода в основном и присадочном металле.
Вольфрамовые включения
Вольфрамовые включения образуются при касании электродом сварочной ванны или присадочной проволоки. Частицы вольфрама, попадая в расплавленный металл, создают концентраторы напряжений и снижают пластичность соединения. Для предотвращения включений необходимо поддерживать стабильную длину дуги и исключать контакт электрода с металлом.
Непровары
Непровары представляют собой несплавление между металлом шва и основным металлом или между отдельными слоями при многопроходной сварке. Причины непроваров: недостаточная сила сварочного тока, завышенная скорость сварки, загрязнение свариваемых кромок, неправильная разделка кромок, смещение электрода относительно стыка.
Кратеры
Кратер – углубление в конце шва, образующееся при резком обрыве дуги. В кратере концентрируются усадочные напряжения и возможно формирование трещин. Современные источники питания оснащаются функцией заварки кратера, обеспечивающей плавное снижение тока в конце сварки.
| Тип дефекта | Причины возникновения | Методы предотвращения | Методы устранения |
|---|---|---|---|
| Трещины | Высокие напряжения, неправильный режим охлаждения | Предварительный подогрев, оптимизация режима сварки | Вырубка, повторная сварка |
| Поры | Загрязнение, недостаточная защита газом | Очистка кромок, контроль расхода газа | Подварка дефектных участков |
| Вольфрамовые включения | Касание электродом сварочной ванны | Поддержание стабильной длины дуги | Вырубка, переплав участка |
| Непровары | Недостаточный ток, завышенная скорость | Оптимизация режима сварки | Подварка корня шва |
| Кратеры | Резкий обрыв дуги | Использование функции заварки кратера | Заварка кратера |
Оксидные включения
При сварке алюминия возможно образование оксидных включений вследствие недостаточного разрушения оксидной пленки. Для предотвращения данного дефекта необходимо обеспечить оптимальный баланс полярности при сварке на переменном токе и тщательную механическую очистку кромок перед сваркой.
Часто задаваемые вопросы
Оптимальный расход аргона составляет 8-12 литров в минуту для большинства применений в нормальных условиях. При сварке в условиях сквозняков расход увеличивается до 15-20 литров в минуту. Расход рассчитывается по формуле Q = 4 + 0,02 × I, где I – сварочный ток в амперах. Недостаточный расход приводит к окислению сварочной ванны, избыточный – к турбулизации потока и подсосу воздуха.
Алюминий сваривается переменным током вследствие наличия на его поверхности тугоплавкой оксидной пленки. Температура плавления оксида алюминия составляет 2050 градусов Цельсия, что значительно превышает температуру плавления чистого алюминия 660 градусов. При положительном полупериоде переменного тока происходит катодное распыление, обеспечивающее разрушение оксидной пленки, при отрицательном полупериоде – проплавление основного металла.
Максимальное проплавление при сварке на постоянном токе достигается при угле заточки 30 градусов согласно экспериментальным исследованиям. При углах менее 20 градусов происходит перегрев кончика электрода, при углах более 60 градусов снижается концентрация энергии дуги и уменьшается глубина проплавления. Длина конической части должна составлять 5-6 диаметров электрода с притуплением вершины 0,2-0,5 мм.
Оборудование TIG-DC работает только на постоянном токе и предназначено для сварки сталей, меди, титана. Универсальное оборудование TIG-AC/DC обеспечивает работу как на постоянном, так и на переменном токе, что позволяет сваривать весь спектр конструкционных материалов, включая алюминий и магний. AC/DC оборудование имеет расширенный функционал: регулировку частоты переменного тока, балансировку полярности, импульсные режимы.
Для предотвращения вольфрамовых включений необходимо: поддерживать стабильную длину дуги 1,5-3 мм, исключать касание электродом сварочной ванны и присадочной проволоки, применять электроды с активирующими присадками, использовать осциллятор для бесконтактного поджига дуги, своевременно затачивать изношенные электроды. При обнаружении включений дефектный участок подлежит вырубке и повторной сварке.
ГОСТ 23949-80 регламентирует следующие марки электродов: ЭВЧ – чистый вольфрам, ЭВЛ – лантанированные электроды с добавкой оксида лантана, ЭВИ – иттрированные электроды с добавкой оксида иттрия, ЭВТ – ториевые электроды с добавкой двуокиси тория. Электроды различаются по токонесущей способности и стабильности дуги. Лантанированные электроды являются универсальными и наиболее распространенными.
Движение горелкой при TIG сварке осуществляется строго вдоль оси шва без поперечных колебаний. Это обусловлено необходимостью поддержания стабильной защиты сварочной ванны инертным газом. При поперечных колебаниях нарушается газовая защита, возможен подсос воздуха и окисление металла. Отсутствие колебаний обеспечивает формирование узкого шва с равномерным проплавлением и минимальной зоной термического влияния.
Время послесварочной продувки защитным газом должно составлять не менее 1 секунды на каждые 10 ампер сварочного тока. Например, при токе 150 А продувка должна продолжаться не менее 15 секунд. Продувка необходима для защиты раскаленного вольфрамового электрода и остывающего металла шва от окисления кислородом воздуха. Преждевременное прекращение подачи газа приводит к окислению электрода и образованию дефектов в конце шва.
Импульсный режим обеспечивает периодическое изменение силы тока между базовым и пиковым значениями, что снижает среднее тепловложение на 15-20 процентов. Основные преимущества: уменьшение деформаций тонкостенных изделий, возможность сварки в любых пространственных положениях, формирование мелкокристаллической структуры металла шва с повышенными механическими свойствами, снижение расхода защитного газа, улучшение контроля сварочной ванны.
Без предварительного подогрева допускается сварка низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,25 процента, аустенитных нержавеющих сталей, алюминия и его сплавов. Закаливающиеся стали с содержанием углерода свыше 0,25 процента, низколегированные стали требуют предварительного подогрева до температуры 150-300 градусов для предотвращения образования холодных трещин. Температура подогрева определяется эквивалентом углерода и толщиной свариваемого металла.
Отказ от ответственности
Настоящая статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Представленные в статье сведения о технологии аргонодуговой сварки TIG, режимах сварки, оборудовании и параметрах процесса основаны на общедоступных технических источниках и предназначены для повышения квалификации специалистов.
Автор не несет ответственности за последствия применения изложенной информации в практической деятельности. Выполнение сварочных работ должно осуществляться квалифицированным персоналом, прошедшим соответствующую подготовку и аттестацию, с соблюдением требований действующих нормативных документов, технологических инструкций и правил охраны труда.
Перед выполнением сварочных работ необходимо руководствоваться актуальными версиями нормативно-технической документации, инструкциями изготовителей оборудования и материалов, а также получить консультации специалистов в области сварочного производства.
Источники
- ГОСТ 23949-80 Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся. Технические условия
- ГОСТ 14771-76 Дуговая сварка в защитных газах. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры
- ГОСТ 23518-79 Дуговая сварка в защитных газах. Соединения сварные под острыми и тупыми углами
- ГОСТ 30242-97 Дефекты соединений при сварке металлов плавлением. Классификация, обозначения и определения
- ГОСТ 5.917-71 Горелки ручные для аргонодуговой сварки типов РГА-150 и РГА-400. Требования к качеству аттестованной продукции
- ГОСТ 14806-80 Дуговая сварка алюминия и алюминиевых сплавов в инертных газах. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры
- Селиванов А.С. Влияние угла заточки неплавящегося электрода на стабильность глубины проплавления сварного шва при различных токовых нагрузках. Сборник научных трудов СибАК. Технические науки – от теории до практики. Новосибирск, 2012
- Техническая документация производителей сварочного оборудования: Kemppi, ESAB, Lincoln Electric
- Патон Б.Е. Справочник по сварке неплавящимся электродом в инертных газах. Киев: Наукова думка, 2012
- ISO 6848:2020 Сварка. Электроды вольфрамовые неплавящиеся. Классификация
