Sudarea cu arc cu electrozi neconsumabile într-o atmosferă de gaz inert de protecție este o metodă de sudare cu arc care este utilizată pentru sudarea aluminiului , magneziului și aliajelor acestora, oțel inoxidabil , nichel , cupru , bronz , titan , zirconiu și alte metale neferomagnetice. Tehnica de sudare este similară cu sudarea cu gaz (combustibil) , prin urmare, necesită un sudor cu înaltă calificare . Folosind acest proces tehnologic se pot obtine suduri de inalta calitate. Cu toate acestea, indicatorii de performanță atunci când se utilizează această metodă sunt foarte scăzuti și nu pot concura cu sudarea cu electrozi consumabili într-o atmosferă de gaz protectoare, în special cu utilizarea mașinilor de sudat semiautomate sau a roboților .
Unul dintre principalele avantaje ale acestei tehnologii este capacitatea de a suda o mare varietate de materiale: împreună cu oțelurile cu conținut scăzut de carbon, aliat și martensitic, posibilitatea de sudare de înaltă calitate a aliajelor de aluminiu și magneziu și, în plus, metale și aliaje precum titanul, zirconiul, molibdenul sunt mai valoroase, nichel, cupru, bronz, alamă . Metoda este, de asemenea, utilizată cu succes pentru sudarea materialelor diferite între ele, de exemplu, oțeluri carbon și oțeluri inoxidabile , cupru cu alamă, etc. Dezavantajul este riscul crescut de formare a porilor în suduri. [1] [2] [3]
Metoda se caracterizează prin două aspecte. Primul este în utilizarea electrozilor de tungsten neconsumabile. Al doilea este în utilizarea gazelor inerte , care protejează atât bazinul de sudură, cât și electrodul în sine. În unele cazuri, pe lângă argon sau heliu , se utilizează hidrogen sau azot .
Denumirile tehnice ale metodei sunt asociate cu heliul utilizat în primele încercări de sudare cu această metodă.
În Europa, metoda este adesea abreviată ca WIG din germanul Wolfram - Inertgas schweißen sau TIG, unde T înseamnă tungsten ( în engleză tungsten ). În SUA, este de obicei desemnat GTAW pentru sudarea cu arc de tungsten cu gaz . În SUA, se aplică AWS D10.11M/D10.11. [patru]
Numerotarea metodei conform ISO 4063.
În primii ani după descoperirea descărcării arcului electric de către Humphrey Davy [5] în 1800 și a arcului electric de către Vasily Petrov în 1802, tehnologia de sudare cu arc s-a dezvoltat lent.
Ideea sudării cu un electrod neconsumabil într-un mediu gazos protector a fost propusă abia în 1890 de Charles L. Coffin , primind brevetul american 419032 pentru aceasta.
Dar chiar și la începutul secolului al XX-lea, sudarea materialelor neferomagnetice, cum ar fi aluminiul și magneziul , a cauzat dificultăți semnificative datorită faptului că aceste metale reacţionează rapid cu aerul, formând pori şi impurităţi în îmbinările sudate, degradându-le brusc calitatea. . [6]
Producția de sudare de înaltă calitate a oțelului și a altor metale necesită îndepărtarea hidrogenului , azotului și oxigenului din topitură în timpul procesului de sudare, prevenind astfel formarea de bule sau pori nedoriți. Pentru a realiza suduri de bună calitate, este necesar să folosiți fie un bazin de sudură, fie dispozitive suplimentare pentru a proteja piesele care trebuie sudate de atmosfera înconjurătoare.
Câteva decenii mai târziu, în anii 1920, Irving Langmuir a propus un procedeu potrivit pentru sudarea cu arc la temperatură înaltă - sudarea cu un arc format între doi electrozi de wolfram într-o atmosferă de hidrogen . Un arc într-o atmosferă de hidrogen duce la disocierea și recombinarea moleculelor de hidrogen pentru a elibera o cantitate mare de căldură. În 1924 a primit brevetul american 1952927.
Dezvoltarea tehnologiei procesului de mai sus a fost realizată în 1941 de către angajații corporației Northrop Aircraft Inc. V.Pavlečka ( ceh. V.Pavlečka ) și Russ Meredith ( ing. Russ Meredith ), care au dezvoltat un proces de sudare cu un electrod de tungsten neconsumabil, care este potrivit pentru sudarea magneziului , aluminiului și nichelului într-o atmosferă protectoare cu heliu. Utilizarea metodei a deschis noi posibilităţi pentru sudarea materialelor utilizate în industria aviaţiei , care s - au dovedit deosebit de valoroase în producţia de echipamente militare la începutul celui de-al Doilea Război Mondial . [7]
Lanterna de sudare dezvoltată apoi a primit brevetul SUA US2274631.
La sfârșitul anilor 1950, Nelson E. Anderson ( ing. Nelson E. Anderson ) a brevetat o metodă de sudare cu curent pulsat (brevetul SUA US2784349), în care curentul de sudare este o succesiune de impulsuri regulate și într-un anumit fel alternante de înalte. și amplitudini reduse. [opt]
La început, un redresor cu seleniu a fost folosit ca sursă de curent continuu pentru unitatea de sudură .
Ceva mai târziu, transformatoarele de sudare au fost modificate pentru a face posibilă generarea de curenți de înaltă frecvență mai potriviti pentru sudarea în acest mod. Pașii recenti au condus la optimizarea caracteristicilor dinamice ale surselor de putere de sudare, adică ajustarea curentului și tensiunii de sudare [7]
La sudarea cu un electrod neconsumabil într-o atmosferă de gaz de protecție, se aprinde un arc electric între electrodul de tungsten și materialele de bază care urmează să fie sudate sau bazinul de sudură. Căldura rezultată topește marginile părților sudate ale materialului de bază și, împreună cu acestea, materialul de umplutură.
Această metodă de sudare manuală este relativ complexă, deoarece necesită un sudor foarte calificat. Ca și sudarea cu gaz, GTAW trebuie să fie efectuată cu două mâini, deoarece în timpul procesului de sudare, sudorul ține suportul cu electrodul (pistoletul de sudură) cu o mână, iar cu cealaltă mână introduce tija în zona de sudare [9] ] .
De asemenea, este important să se mențină o lungime scurtă a arcului, evitând în același timp contactul dintre electrod și piesele de prelucrat [10] .
Arcul de sudare într-o metodă numită TIG AC este obținut dintr-o sursă, care este acum aproape întotdeauna folosită ca generator de înaltă frecvență (similar cu transformatorul Tesla ), care dă o scânteie electrică . Această scânteie este un mediu conductiv pentru fluxul curentului de sudare într-un mediu cu gaz de protecție și permite arcului să se aprindă în timp ce electrodul este separat de piesele care urmează a fi sudate la o distanță de 1,5-3 mm [11] .
De îndată ce arcul este aprins, pentru a crea o îmbinare sudată, sudorul mută electrodul în zona de sudare, care are forma unui cerc, a cărui dimensiune depinde de mărimea electrodului și de mărimea actual. Menținând o distanță constantă între electrod și piesa de prelucrat, sudorul retrage apoi ușor suportul și îl înclină înapoi cu aproximativ 10-15° față de poziția verticală. Metalul tijei de umplutură este adăugat manual la marginea anterioară a sudurii după cum este necesar.
Sudorii folosesc adesea și tehnologia de a alterna rapid avansul electrodului (obținând cusătura reală a îmbinării sudate) cu adăugarea de material de umplutură. Tija de umplutură se adaugă la îmbinarea sudată de fiecare dată când electrodul este avansat, totuși, rămânând întotdeauna în mediul de gaz de protecție pentru a preveni oxidarea suprafeței sale și contaminarea zonei de sudare. Tijele de umplutură metalice cu topire scăzută, cum ar fi aluminiul, necesită ca sudorul să le țină la o anumită distanță de arc, dar în același timp într-un mediu cu gaz de protecție. Dacă tija este prea aproape de arc, se poate topi înainte de a avea timp să intre în contact cu bazinul de sudură. Pe măsură ce procesul de sudare se termină, curentul arcului este adesea redus treptat pentru a permite sudurii să se întărească și, prin urmare, pentru a preveni fisurarea marginilor [12] [13] .
Beneficiile includ:
Defecte:
Sursa de alimentare utilizată pentru GTAW este o sursă de alimentare DC; ceea ce înseamnă că curentul (și deci căldura care încălzește zona de sudare) rămâne relativ constant, indiferent de lungimea arcului și de tensiunea aplicată. Acest lucru este important deoarece majoritatea aplicațiilor GTAW, atât manuale, cât și semi-automate, necesită ca operatorul să țină suportul electrodului cu mâna. Dacă s-ar folosi o sursă de tensiune constantă în locul unei surse de curent constant, ar fi o sarcină dificilă să se asigure o lungime acceptabilă a arcului, deoarece modificările gradului de încălzire cauzate de o modificare a curentului de sudare ar face procesul de sudare mult mai mare. dificil. [16]
Polaritatea sursă preferată pentru GTAW depinde în mare măsură de tipul de metal care este sudat. Curentul continuu la care electrodul este conectat la polul negativ (DCEN) este utilizat cel mai adesea la sudarea oțelurilor , nichelului , titanului și altor metale. DCEN este, de asemenea, adesea folosit în aparatele de sudură cu aluminiu sau magneziu care folosesc heliu ca gaz de protecție. [17]
Cel mai adesea, curentul continuu este utilizat cu furnizarea unui „minus” la electrod (în terminologia engleză (DCEN). Datorită faptului că electronii emiși care formează un arc provoacă ionizarea termică a mediului de gaz de protecție, căldura este generată pe electrodul negativ, adică materialul pieselor care urmează să fie sudate este încălzit suplimentar. Gazul de protecție ionizat curge în direcția electrodului, nu materialul care trebuie sudat, ceea ce previne formarea oxizilor în zona de sudare a pieselor pentru a fi sudate [17]
Curentul continuu mai puțin utilizat cu alimentarea cu „plus” la electrod (în terminologia engleză DCEP), în primul rând pentru sudarea pieselor mici, pentru a reduce încălzirea materialului produsului. În loc să curgă de la electrod către produs, ca în cazul precedent (DCEN), electronii curg în direcția opusă. [17]
Pentru a asigura păstrarea formei și pentru a preveni „tocirea” electrodului, în acest caz este adesea folosit un electrod cu diametru mai mare, spre deosebire de cazul precedent. Pe măsură ce electronii curg către electrod, fluxurile de gaz de protecție ionizat sunt livrate către piesele care urmează să fie sudate, curățând zona de sudură, îndepărtând oxizi și alte impurități și astfel îmbunătățind calitatea și aspectul acesteia. [17]
Curentul alternativ, utilizat pe scară largă pentru sudarea manuală sau semi-automată a aluminiului și magneziului, este cunoscut ca fiind format din două semi-unde, timp în care electrodul și piesele care urmează să fie sudate devin alternativ poli „pozitiv” și „negativ”. În acest caz, fluxul de electroni își schimbă în mod continuu direcția, ceea ce împiedică simultan supraîncălzirea electrodului de wolfram și menține o temperatură ridicată în materialul pieselor care urmează să fie sudate. [17]
Oxizii sunt îndepărtați de pe suprafață în timpul acelei părți a ciclului când electrodului este aplicat o tensiune pozitivă. Iar cea mai profundă încălzire a pieselor care urmează a fi sudate va fi în intervalul de timp în care polaritatea tensiunii de pe electrod este negativă. Unele surse de alimentare permit operatorului să utilizeze AC asimetric, cu capacitatea de a seta procentul exact de timp în care curentul este în fiecare polaritate, permițând un control mai bun al cantității de căldură introduse de la sursa de alimentare și îmbunătățind calitatea sudurii. [17]
În plus, operatorul ar trebui să evite efectul de rectificare , care împiedică reaprinderea arcului, care poate apărea la schimbarea de la polaritatea directă (minus pe electrod) la polaritatea inversă (pozitivă pe electrod). Pentru a evita această problemă, o sursă de alimentare cu undă pătrată , precum și o sursă de tensiune de înaltă frecvență, pot fi folosite pentru a porni arcul . [17]
Multe industrii folosesc GTAW pentru a suda piese subțiri de prelucrat, în principal metale neferoase. Această tehnologie este folosită din ce în ce mai pe scară largă în fabricarea vehiculelor spațiale și este folosită și pentru sudarea tuburilor cu pereți subțiri de diametru mic, precum cele folosite la fabricarea bicicletelor. În plus, GTAW este adesea folosit pentru a crea semifabricate sau pentru prima trecere la sudarea conductelor de diferite diametre. Procesul este, de asemenea, utilizat pe scară largă în lucrările de întreținere și reparații, cum ar fi repararea uneltelor și a aparatelor, în primul rând pentru piesele din aluminiu și magneziu. [optsprezece]
Deoarece metalul nu este transferat direct de arc în această metodă, o gamă largă de metale sunt disponibile pentru utilizare ca materiale de umplutură. De fapt, niciun alt proces de sudare nu permite sudarea unei game atât de largi de aliaje și într-o varietate atât de mare de configurații de produs. Aliajele metalice pentru tijele de umplutură, cum ar fi aluminiul pur și cromul, se pot volatiliza din cauza evaporării din arcul electric. Acest lucru nu se întâmplă atunci când utilizați procesul GTAW. Deoarece produsele sudate vor avea aceeași compoziție chimică sau similară cu componenta de bază originală (sau componentele de bază corespunzătoare) ale aliajului, sudurile GTAW sunt foarte rezistente la coroziune și deteriorări mecanice pe perioade lungi de timp , ceea ce face ca această tehnologie să fie aproape indispensabilă. alegere pentru astfel de operațiuni critice precum sigilarea containerelor de combustibil nuclear uzat înainte de eliminarea acestora. [19]
În timpul lucrului, sudorul trebuie să folosească salopete de protecție , inclusiv un costum de sudor, constând din pantaloni și o jachetă cu mâneci lungi, mănuși și o mască și pentru protecție împotriva radiațiilor ultraviolete puternice . Datorită faptului că GTAW nu degajă fum, care în sudarea cu arc convențională este produsul de reacție al fluxului cu oxigenul din aer și piesele de prelucrat care trebuie sudate, aici, când arcul electric arde, nu există particule gazoase și solide (zgură). ) sunt formate; dar arcul în sine arde mult mai strălucitor decât sudarea cu arc convențională, expunând operatorul la radiații ultraviolete dure. Radiația ultravioletă arcului poate avea o lungime de undă diferită de cea a ultravioletei solare; dar datorită faptului că sudorul este prezent în imediata apropiere a sursei de radiație, impactul acestuia va fi foarte puternic.
Un arc de ardere are potențialul de a dăuna sănătății, inclusiv fulgerări strălucitoare, dăunează vederii ( electroftalmie ) și dăunează pielii, similar cu o arsură solară severă . Pentru a proteja împotriva efectelor nedorite ale radiațiilor ultraviolete , sudorii folosesc căști opace cu ochelari de culoare închisă care acoperă complet capul și gâtul. Căștile moderne sunt adesea echipate cu ochelari cu cristale lichide care se întunecă automat (fotocromatice), care se întunecă automat atunci când sunt expuse la lumina puternică a unui arc de sudare. În plus, pentru a proteja lucrătorii din apropiere și alte persoane de radiațiile ultraviolete ale arcului de sudură, sunt adesea folosite ecrane transparente de sudură (scuturi) din folie PVC . [douăzeci]
De asemenea, sudorul are de multe ori de a face cu gaze și particule periculoase [21] . Deși nu este emis fum în timpul procesului de sudare, arcul luminos din procesul GTAW poate produce defalcarea optică a spațiului de aer din jur, generând ozon și oxizi de azot. Ozonul și oxizii de azot reacționează cu țesutul pulmonar, ceea ce determină formarea acidului azotic într-un mediu umed, precum și arderea ozonului. Deși efectele acestor procese sunt moderate, expunerea lor prelungită, precum și expunerea periodică repetată, pot provoca emfizem și edem pulmonar, care pot duce la moarte prematură. Prin urmare, este necesar să se controleze parametrii de aer din camera în care se efectuează lucrările. În mod similar, arcul, datorită temperaturii sale ridicate, poate provoca formarea de gaze otrăvitoare și compuși toxici din materialele folosite pentru curățarea și degresarea sudurii. Prin urmare, operațiunile de curățare cu acești agenți nu trebuie efectuate în apropierea locului de sudare și trebuie asigurată o ventilație adecvată pentru a proteja sudorul. [douăzeci]