Przemysłowe spawanie TIG wymaga aby rysy szlifierskie na elektrodzie wolframowej były wzdłużne (nie rozbijały strumienia plazmy), argon był klasy czystości 4,5 (99,995% Ar), drut był odgazowany próżniowo (litera W zamiast G w oznaczeniu [4]) i aby uchwyt był zaopatrzony w tzw. sitko, czyli w soczewkę do przepływu laminarnego.
Aby obniżyć temperaturę jeziorka i uniknąć przegrzania materiału należy zaopatrzyć spawarkę do TIG-u w woltomierz i pilnować aby napięcie nie przekraczało 8V. Jest to dosyć trudne, gdyż większość spawaczy utrzymuje wielkość łuku przy którym napięcie jest równe 15V. Należy spawaną stal zabezpieczyć przed kontaktem z czarną stalą, opiłkami z szlifowania czarnej, szczotkami i młotkami ze stali czarnej. Nie należy szlifować tarczami korundowymi i nie należy czyścić powierzchni szlifierkami (naprężenia szlifierskie), tylko lamelkami z papieru ściernego.
Rury powinny być „zadeklowane” np. wypraskami z papieru wodnego, a do środka powinien być wprowadzony gaz formujący. Przepływ tego gazu (w l/min) powinien być równy średnicy rury (w cm). Przepływ argonu powinien być wyliczony ze wzoru Vosł = 7 l/min x I/90A, gdzie I jest prądem spawania. W przypadku fazowania grubszych rur szczelina powinna być zaklejona taśmą aluminiową.
Spawanie rurek cienkościennych ze stali kwasoodpornych metodą TIG
W przypadku spawania rur cienkościennych (do 3 mm grubości) sczepiamy w trzech punktach bez szczeliny, na styk. Długość sczepów: trzy grubości, a odległość miedzy sczepami dziesięć-piętnaście grubości. Pierwszą warstwę wykonujemy bez dodatku stopiwa, a przetopienie ścianek kontrolujemy obniżaniem się jeziorka (Rys. 2). Drugą warstwę uszczelniającą wykonujemy w rowku powstałym po ułożeniu pierwszej warstwy, tak aby zakończenia ściegów były poprzesuwane. Jeżeli rura nie przenosi dużych ciśnień to spoina może być jednościegowa. W tym przypadku zakończenie ściegu musi zachodzić na rozpoczęcie, o 12 mm.
Wykonanie idealnych przetopów na rurach nierdzewnych, o grubości od 1 do 2 milimetrów, wymaga trzymania końca elektrody wolframowej w tym samym miejscu, i przeginania uchwytu w kierunku obu złączonych blach naprzemiennie (Rys. 2).
Równowagę sił napięcia powierzchniowego regulujemy strużką ciekłego metalu spływającego z końca drutu do elektrody i obniżającego temperaturę małego jeziorka spawalniczego (Rys. 2). Takie prowadzenie uchwytu ułatwia oparcie dyszy o rurę i obtaczanie jej po rurze w lewo i w prawo.
Do stali nierdzewnych zaliczamy stale: martenzytyczne, ferytyczne (odporne na korozję gazową siarkowodoru), dupleks (odporne na działanie chlorków) austenityczne (odporna na koroję elektrochemiczną) i superdupleks (duża wytrzymałość). Stal martenzytycznama w przeciwieństwie do stali ferrytycznej większą wytrzymałość na rozciąganie. Stal superdupleks stosuje się w elektrowniach jądrowych gdzie obok wytrzymałości elektrochemicznej potrzebna jest wytrzymałośćna rozciąganie do 750 MPa [5].
„The Procedure Handbook of Arc Welding” [1] wymienia składy chemiczne i własności mechaniczne następujących gatunków stali austenitycznych według AISI: 201, 202, 205, 301, 302, 302B, 303, 303Se, 304, 304L, 304N, 304LN, 305, 308, 309, 309S, 310, 310S, 314, 316, 316L, 316N, 316LN, 316F, 317, 317L, 321, 330, 347, 347M, 348. 384, S30430, 329 dupleks S32900. Dobór drutów do spawania stali austenitycznych podaje tabela 1 [7].
Ww. poradnik podaje też własnościi skład chemiczny następujących stali ferrytycznych: 405, 409, 429, 430, 430F, 430Se, 430FSe, 434, 436,439, 442, 444, 446, 26-1, 29-4, 29-4-2. Do tych stali jest tylko stopiwo 430. Ponieważ spawanie tym stopiwem wymaga podgrzewania, stale te z reguły spawa się stopiwem austenitycznym 312, a powierzchnie narażone na korozję gazową napawa się stopiwem 430.
W USA stosowane są następujące gatunki stali martenzytycznych: 403, 405, 410, 414, 416, 416Se, 420, 420F, 420Mod, 422, 431, 440A, 440B, 440C. W katalogach materiałów dodatkowych można znaleźć tylko stopiwo 410.
Stale dupleks można podzielić (USA) na: 255 (Ferralium), 2205 (Sandvik), 2304 (Sandvik), NU744LN (Uddeholm), 21-9, 23-7. Do spawania posiadamy tylko stopiwa 2293NL (dupleks) i 2594NL [1].
W przypadku spawania cienkościennych rur kwasoodpornych bez szczeliny (na styk) drut jest zawsze styczny do rury. Do celów spożywczych przetop musi być gładki, a jego jakość powinna być dokumentowana przez filmowanie endoskopem. Walidacja w przemyśle farmaceutycznym wymaga automatów do spawania orbitalnego. Z takiego automatu otrzymuje się wydruk parametrów spawania.
Wykonanie przetopu rur grubościennych metodą TIG
Rury o grubości powyżej 3 mm powinny być fazowane i sczepiane jak na rysunku 4c. Spoiny sczepne powinny mieć po obu stronach oczka. Do środka rury powinien być wprowadzony gaz formujący. Szczelina powinna być zaklejona taśmą.
Wykonywanie przetopu grubościennych rur austenitycznych metodą TIG polega na przepychaniu ciśnieniem łuku kropli na drugą stronę i docieraniu gorących gazów w łuku do krawędzi od strony grani, co możemy obserwować świeceniem gorących gazów po drugiej stronie blachy i pogłosem w rurze, wywołanym przeciskaniem się gorących gazów łuku elektrycznego przez szczelinę.
Podczas wykonywania przetopu TIG, spawacz zagłębia koniec drutu w rowku na tyle głęboko, aby nie zasłaniał krawędzi. W przeciwnym razie strumień plazmy łukowej będzie rozbijał się na drucie i uniemożliwi dotarcie gorących gazów do topionych krawędzi.
Dotarcie gorących gazów do krawędzi od środka rury może być utrudnione przez kroplę ciekłego metalu, większą od szczeliny (szczelina mniejsza od średnicy drutu, gazy rozbijają się na kropli metalu; Rys. 5c) lub zbyt płytko zagłębiony w szczelinie koniec drutu spawalniczego (gazy łuku rozbijają się na drucie; Rys. 5d). Inną przyczyną braku przetopu może być zbyt duża długość łuku spawalniczego.
a) technika wykonania przetopu bez nierówności;
b) c) wpływ średnicy drutu na maksymalne przestawienie krawędzi i minimalną szczelinę gwarantującą wykonanie przetopu;
d) wpływ zagłębienia końca elektrody na przetopienie krawędzi;
e) f) zbyt duże wypełnienie rowka przy braku przetopu wywołanego: za małą szczeliną i zbyt długim łukiem;
g) technika wykonania lica w pozycji PC
Jak widać na rysunku 5e i 5f przy zbyt wąskiej szczelinie i zbyt długim łuku występuje zbyt duże wypełnienie rowka spawalniczego. Świadczy to o braku przetopu, a przyczynę tego możemy zidentyfikować po szerokości pierwszej warstwy. Gdy szerokość przetopu jest mała – przyczyną braku przetopienia krawędzi jest zbyt wąska szczelina (Rys. 5e), a gdy szerokość przetopu jest duża – przyczyną jest zbyt długi łuk elektryczny (duże napięcie, Rys. 5f).
Wykonywanie spoin w pozycji PC rur o pionowej osi wymaga aby drut był styczny, a palnik prostopadły do rury.
Kąty ustawienia uchwytu wg Instytutu Hobarta i drutu w pozycji PH podaje rysunek 4d. W przypadku grubych blach wystarczy przesuwać łuk elektryczny po drucie i skupić się na topieniu drutu, i jego kontakcie z jeziorkiem spawalniczym w gardzieli rowka. Należy pamiętać, aby koniec drutu dotykał jeziorka w jego przedniej części, był odpowiednio zagłębiony i nie zasłaniał krawędzi.
Oderwanie końca drutu od jeziorka powoduje nierówności przetopu niedopuszczalne w przypadku rur nierdzewnych przemysłu spożywczego.
W przypadku rur austenitycznych grubościennych w pozycji PH (dawniej PF, oś rury pozioma), aby wykonać wypukły przetop w suficie należy wsadzać drut do rury od góry przez szczelinę (Rys. 4c) tak, aby kropla topionego metalu spływała do jeziorka spawalniczego od środka rury. Drut w pozycji pionowej jest styczny, a palnik prostopadły do powierzchni rury, a od położenia „na godzinie dziewiątej” w celu zmniejszenia składowej prostopadłej ciśnienia łuku uchwyt przeginamy w kierunku drutu (spawanie TIG w lewo).
Jednak lepszym sposobem robienia przetopu jest wkładanie drutu do jeziorka od środka rury i obserwacja przez szczelinę. Jeżeli gazy łuku elektrycznego przetopią drut to przetopią też wszystko po drodze, łącznie z krawędziami. Kropla wpadając do jeziorka od środka z góry opiera się o krzepnący metal przetopu. Dzięki temu przetop w suficie jest wypukły, a nie obwisły (zaniżony). W przypadku gdy rury są zbyt blisko (np. przy komorze) tę technikę stosuje się również w pozycji naściennej PC. Wtedy fabryczny uchwyt należy tak przerobić aby dysza była prostopadła do rękojeści (Rys. 4c).
W przypadku stali nierdzewnej należy w folii aluminiowej zaklejającej rowek zrobić drutem dwa otwory: jeden do obserwacji, a drugi do wsunięcia drutu w szczelinę. I tu tak samo, gdy koniec drutu zostanie przetopiony to gazy łuku przetopią wszystko po drodze, w tym ostre krawędzie rowka. Aby łuk elektryczny natarł na ściankę rury pod kątem 60 stopni, gwarantującym wtopienie, kąt pomiędzy rękojeścią palnika TIG a dyszą powinien wynosić 90 stopni. Nie może to być typowy fabryczny uchwyt TIG.
Po wykonaniu przetopu należy usunąć jego ewentualne wady. Na końcach wyciętego przetopu należy zrobić wejścia w kształcie dopasowanego do rowka „ptasiego pióra”. Wycięcie powinno sięgać dnem do najbardziej wystającej części ściegu przetopowego. Pory usuwamy szlifierką do miejsca gdzie zaczęło porować. O zaporowaniu świadczą iskry podczas spawania. Układanie ściegu naprawczego przetopu zaczynamy 12 mm wcześniej i kończymy 12 mm za wycięciem tak aby nie było śladu rozpoczynania i kończenia spawania.
Wykonywanie ściegów wypełniających rur grubościennych ze stali kwasoodpornych metodą TIG
Po przetopie należy brzeszczotem z piły ramowej skruszyć szkliwo z tlenków. Warstwa przetopowa TIG jest zbyt cienka, aby położyć wypełnienie bez przyklejeń metodą MAG. Dlatego po przetopie należy obowiązkowo położyć wypełnienie metodą TIG.
Przed wykonaniem drugiego ściegu należy schłodzić rurę sprężonym powietrzem i uważać, aby prąd nie był zbyt duży.
Należy pilnować, żeby temperatura międzyściegowa nie przekraczała 200 °C (norma EN 1011 podaje temperaturę międzyściegową 150 °C). Inaczej następny ścieg spłynie, a przetop zostanie zassany. Lico rur grubościennych ze stali nierdzewnej w pozycji PH (w starej normie PF) wykonujemy dodając drutu po bokach i przemieszczając jeziorko spawalnicze od lewej do prawej strony (Rys. 6).
Dodawanie drutu w środku prowadzi do podtopień. Po wyciągnięciu drutu z osłony gazowej należy obciąć zakrzepnięta kroplę. Lico możemy też wykonać wielościegowo metodą TIG (Rys. 5), wypełniać metodą MIG drutem pełnym (98%Ar+2%O2) lub MAG drutem proszkowym (80%Ar+20%CO2). Wykonanie wielościegowe lica metodą TIG zabezpiecza nas przed rozrostem ziarna, uaktywnieniem termicznym korozji i pękaniem na brzegu spoiny.
W pozycji PC lico wykonujemy dodając i topiąc drut przy górnej krawędzi. Po nagrzaniu i zwilżeniu górnej ścianki ściągamy stopiony metal do dolnej krawędzi przez ruch palnika i jeziorka spawalniczego w dół (Rys. 5g). W przypadku szerszego lica rur ze stali 316 lico wykonujemy wielościegowo wąskimi ściegami.
Częstotliwość prądu w spawaniu TIG stali nierdzewnych
Spawanie orbitalne wymaga źródła impulsowego. Urządzenia do spawania TIG mają do wyboru trzy częstotliwości impulsowania prądu: małą, średnią i wysoką. Bardzo niska częstotliwość służy do spawania rury cienkiej z grubą. Przy małym prądzie przesuwamy łuk do cienkiej rury, a przy dużym prądzie przesuwamy łuk do grubego materiału. Średnia częstotliwość służy do formowania łuski i rozbudowywania kryształów słupkowych na boki (stopiwa podajemy podczas prądu bazy). Prąd bazy ustawiamy tak, by nie topił drutu. Bardzo dużą częstotliwość stosujemy do spawania bardzo cienkich rur.
Wnioski
a) Problemy w spawaniu stali kwasoodpornej wynikają z niskiej przewodności cieplnej, z przegrzewania jeziorka spawalniczego, z braku osłony gazowej grani.
b) Dodawanie stopiwa i skracanie łuku elektrycznego obniża temperaturę jeziorka.
c) Topienie podłoża następuje w wyniku fizycznego kontaktu gorących gazów przepływających na skutek róznicy temperatur, wywołanego przeływem jonów w łuku elektrycznym.
d) Nagrzewanie podłoża do temperatury zwilżalności następuje w wyniku przewodnictwa cieplnego pomiędzy jeziorkiem spawalniczym a podłożem i zależy od wielkości jeziorka (długości łuku elektrycznego i napięcia łuku) oraz od czasu grzania.
e) Aby przeciwdziałać odbarwieniu powierzchni stali austenitycznej, należy tak skrócić łuk elektryczny, aby napięcie spadło do 8V.
Ryszard Jastrzębski
Instytut Łączenia Metali, Kraków
Literatura:
[1] The Procedure Handbook of Arc Welding, The Lincoln Electric Company, Cleveland, Ohio, XIV ed., 2000
[2] R. Jastrzębski, M. Filipek , M. Cenin, J. Kniaź , T. Filipek M. Jaworski: Principes fondamentaux de L’apprentissage par penser inconsciente . 2 Parte : Methodologie apliquee a la formation praktique. Pospectives des techniques de stimulation tactiles. Soudage at Techniques Cinnexes, Nr 11/12 2004
[3] R. Jastrzębski, H. Padula , Krzysztof, A. Jastrzębski: Steering algorithms of the root pass and the face for pressure high strength carbon steels and stainless steel pipes using the flux cored welding wire. EUROJOIN 2006, conferencia EWF, 28-30.06.2006, str. 363-373
[4] R. Jastrzębski: Dobór materiałów dodatkowych do metod ręcznego spawania, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, wrzesień 2010, str. 52-61
[5] R. Jastrzębski: Metalurgia spawania, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, październik 2010, str. 52-61
[6] R. Jastrzębski: „Robotyka i mechatronika spawania stopów aluminium”, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, styczeń-luty 2011, str. 14-23
[7] R. Jastrzębski: Mechatronika spawania, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, grudzień 2010, str. 38-47
[8] Hobart Institute of Welding Technology: Gas Tungsten Arc Welding
artykuł pochodzi z wydania 6 (57) czerwiec 2012
