Svařování netavící se elektrodou v ochranné atmosféře inertního plynu

náhled|Svařování netavící se elektrodou v ochranné atmosféře inertního plynu s použitím tyčky přídavného materiálu Obloukové svařování netavící se elektrodou v ochranné atmosféře inertního plynu je tavná metoda svařování elektrickým obloukem, která se používá především pro svařování hliníku a hořčíku a jejich slitin, korozivzdorných ocelí, niklu, mědi, bronzů, titanu, zirkonia a dalších neferitických kovů. Technika svařování je podobná svařování plamenem, proto vyžaduje velmi zručné svářeče. Za předpokladu dodrženého technologického postupu lze získat vysokou kvalitu svarů. Její výkonnostní parametry – při ručním svařování – jsou v porovnání např. s metodami svařování MIG/MAG velmi nízké.

Metoda je charakteristická dvěma rysy. Prvním je použití neodtavujících se wolframových elektrod, které jsou vyrobeny buď z čistého wolframu nebo jsou k wolframu přidávány vybrané legury. A druhým je použití inertních plynů, které chrání jak svarovou lázeň tak i samotné elektrody. V některých aplikacích se kromě argonu nebo hélia používá i vodík nebo dusík.

V Evropě i v České republice se metoda často označuje zkratkou TIG nebo WIG,Zkratka WIG pochází z německého Wolfram–Inertgasschweißen. TIG je alternativou v anglicky hovořících zemí, kdy T znamená tungsten (tj. anglicky wolfram). v USA je obvyklé označení GTAW.GTAW je zkratka z anglického Gas Tungsten Arc Welding. Číselné označení metody podle ISO 4063 je 141. Původní název metody Heliarc je odvozen od helia použitého při prvních pokusech svařování touto metodou.

Historie Výroba kvalitní oceli zahrnuje i rafinační procesy, které odstraní vodík, dusík a kyslík z taveniny, a tím dojde k zabránění tvorby nežádoucích bublin a pórů. I pro dosažení kvalitních svarů je nutné svarovou lázeň buď dostatečně rafinovat nebo ji chránit před okolní atmosférou.

Charles L. Coffin si byl vědom potřeby takové ochrany roztaveného svarového kovu, proto v roce 1889 přišel s postupem svařování, při kterém využíval tavidla. V patentové přihlášce, je uveden „postup svařování v neoxidujícím médiu, který je možno aplikovat za zvýšeného i normálního (atmosférického tlaku) jako plyn nebo roztok“.

O několik desítek let později, na začátku 20. let minulého století navrhl Irving Langmuir postup, kterým dosahoval vysokých teplot vhodných pro svařování při hoření elektrického oblouku mezi dvěma wolframovými elektrodami v atmosféře vodíku. Hoření elektrického oblouku ve vodíkové atmosféře způsobuje disociaci a rekombinaci molekul vodíku za uvolnění velkého množství tepla. Uvedený postup, který si nechal v roce 1924 patentovat se stal základem pro metodu svařování atomárním vodíkem.

Další patenty s různými ochrannými atmosférami následovaly, Langmuir a Alexander se směsí vodíku a dusíku v roce 1925, další rok navrhl Philip K. Devers argon a Henry M. Hobart helium, Alexander směs propanu a vodíku (1926) a Elihu Thomson směs propanu a oxidu uhličitého (1927).

Výše uvedené výzkumy završili až v roce 1941 V. H. Pavlecka a Russ Meredith z Northrop Aircraft Inc., kteří navrhli postup svařování s netavící se wolframovou elektrodou, který byl vhodný pro svařování hořčíku, hliníku a niklu v ochranné atmosféře hélia. Metoda otevřela nové možnosti při svařování materiálů používaných v leteckém průmyslu, zvláště pak ve vojenském, na začátku II. světové války.TIG Handbook – II, str. 6 Pro vyvinutý svařovací hořák byla podána patentová přihláška.

Na konci 50. let minulého století si nechal Nelson E. Anderson patentovat způsob svařování tzv. impulsním proudem, při kterém dochází k pravidelnému a předem definovanému střídání vysokého a nízkého svařovacího proudu. Se selenovým usměrňovačem bylo možné použít transformátor jako zdroj stejnosměrného svařovacího proudu. Svařovací transformátory byly později modifikovány tak, aby umožnily generování vysokofrekvenčního proudu, který je velmi vhodný pro svařování touto metodou. Poslední kroky vedly k optimalizování dynamických charakteristik svařovacích zdrojů, tj. průběhu svařovacího proudu a napětí v závislosti na čase.TIG Handbook – II, str. 6

Charakteristika vpravo|350px|náhled|Schéma svařování netavící se elektrodou Při svařování netavící se elektrodou v ochranné atmosféře inertního plynu hoří elektrický oblouk mezi wolframovou elektrodou a základním materiálem nebo svarovou lázní. Vzniklé teplo natavuje svarové hrany základního materiálu případně i přídavný materiál.Ambrož et al., str. 109

Metoda se nejčastěji využívá při ručním svařování, kdy však vyžaduje vysokou zručnost svářeče. Podobně jako při plamenovém svařování svářeč jednou rukou drží hořák a druhou rukou z boku přidává přídavný materiál. Výkon odtavení při ručním svařování je velmi nízký a nemůže soupeřit s metodami svařování tavícími se elektrodami v ochranných atmosférách. V případě automatizování svařovacím robotem či jinou mechanizací se používají jako přídavné materiály svařovací dráty.Kubíček, str. 6

Jak už vyplývá z názvu, vždy se používá ochranná atmosféra inertních plynů, nejčastěji helium nebo argon, případně jejich směsi. V některých případech se používají směsi i s vodíkem nebo dusíkem.Ambrož et al., str. 109 Vysoká čistota používaných plynů je vyžadována nejenom kvůli omezení opotřebení a zátěže wolframové elektrody, ale také aby se omezil přístup nežádoucích prvků ke svarové lázni, které mohou způsobit ve svarech vady (většinou póry, bubliny, zkřehnutí svarů apod.). Omezení přístupu kyslíku je nutné zejména u svařování hliníku, hořčíku, titanu, zirkonu, niklu, mědi, molybdenu, ale i dalších.Kubíček, str. 7

V závislosti na druhu svařovaného materiálu se používá střídavý i stejnosměrný proud, případně usměrněný pulsní proud.Kubíček, str. 8

Jednou z největších výhod je možnost svařování široké škály materiálů, jak nízkouhlíkové a vysocelegované oceli tak i martenzitické oceli, ale hlavně hliníkové a hořčíkové slitiny, a dále pak titan, zirkon, molybden, nikl, měď, bronz i mosaz. S výhodou se používá i pro svařování různých materiálů navzájem, např. uhlíkové a korozivzdorné oceli, měď a mosaz, apod. Při svařování uhlíkových ocelí je zvýšené riziko vzniku pórů ve svarech.Ambrož et al., str. 110TIG Handbook – I, str. 4TIG Handbook – I, str. 5

Technologie vpravo|náhled|Jednostranný svar trubek vpravo|náhled|Svary trubek z korozivzdorné oceli průměru 50 mm

Svařování stejnosměrným proudem Přímé zapojení, elektroda je připojena na záporný pól, je základní zapojení elektrického obvodu pro tuto metodu svařování. Tepelná zátěž je nesymetricky rozdělena – zhruba jedna třetina připadá na elektrodu a dvě třetiny pro natavení svarových ploch základního materiálu. Výhodou je, že elektroda není tak tepelně namáhaná a zároveň dochází k velkému průvaru. Většinou se používá pro svařování ocelí, niklu, mědi a titanu. Při použití směsi ochranných plynů argonu s minimálně 75 % helia je možné svařovat i hliník. Vysoká tepelná vodivost hélia totiž výrazně napomáhá odstranění oxidů s vysokým bodem tavení.Ambrož et al., str. 119TIG Handbook – II, str. 8TIG Handbook – II, str. 9

Svařování nízkolegovaných ocelí se používá spíše pro kořenové svary, u kterých je obecně požadována vysoká kvalita, nebo pro opracování přechodů svarů (někdy nazýváno tigováním) zhotovených jinými metodami (např. MIG/MAG).

Svařování střídavým proudem Pro svařování hliníku je vhodné přednostně používat střídavý elektrický proud. Ačkoliv teplota tavení hliníku je 650 °C, na jeho povrchu se nachází kompaktní vrstva Al2O3, který má bod tavení nad 2000 °C a brání tak snadnému natavení základního materiálu. Při použití střídavého proudu se vzájemně frekvenčně mění polarita na elektrodě a na základním materiálu. V okamžiku, kdy je na elektrodě kladný pól, pohybuje se po základním materiálu katodová skvrna v místech pokrytí oxidy – jakoby nepřímé zapojení. Protože tyto oblasti mají nižší emisní energii pro emise elektronů e−, po zasažení katodovou skvrnou se oxidy snadněji odpařují v kombinaci s mechanickým efektem dopadů iontů Ar+ o relativně vysoké hmotnosti. Tento efekt se často nazývá čisticím účinkem. Při této polaritě však dochází k menšímu svařovacímu efektu ve srovnání se stavem, kdy je na elektrodě záporný pól – jakoby přímé zapojení – a na základní materiál dopadají urychlené elektrony e−.Ambrož et al., str. 120TIG Handbook – II, str. 10

Svařování impulsním proudem Svařování impulsním proudem je moderní technika svařování, která umožňuje snižovat objem vneseného tepla do svaru a kontrolovaně provádět plynulé přechody ze svarového kovu do základního materiálu, tzv. bezvrubé přechody. Stejnosměrný nebo usměrněný proud má v základním režimu nízké hodnoty, zhruba 10 až 15 A, které postačují na udržení stabilního hoření oblouku. V definovaných okamžicích se zvyšují hodnoty svařovacího proudu. Modulace svařovacího proudu může být v čase popsána sinusoidou, obdélníkovým nebo lichoběžníkovým průběhem. Frekvence impulsů jsou požadovány v závislosti na druhu svařovaného materiálu a tloušťce svaru od jednotek hertzů pro svary větších tlouštěk od 4 do 6 mm, přes kHz pro svary od 1 do 3 mm až do cca 20 MHz pro velmi tenké plechy nebo titanové slitiny. Velmi výhodné je používání impulsního proudu při svařování v nucených polohách, jednostranně přístupných svarů (např. svary trubek) a svařování materiálů citlivých na přehřátí (např. mědi).TIG Handbook – II, str. 18

Technika svařování Technika svařování je velmi podobná metodě svařování plamenem, kdy je ale teplo do svaru dodávané hořením elektrického oblouku a proces není tak dynamický. Natavený přídavný materiál by se neměl při svařování dostat z oblasti plynové ochrany, ve které je chráněn proti oxidaci. Pokud bude přídavný materiál zoxidován může dojít ukládání nežádoucích vměstků (oxidů) do svarové lázně, to negativně ovlivňuje kvalitu svaru. Ze stejného důvodu bývá po vypnutí elektrického proudu po několik sekund tzv. dofukován ochranný plyn. Ten chrání tuhnoucí svarovou lázeň a zároveň i wolframovou elektrodu.Ambrož et al., str. 133TIG Handbook – IV, str. 40

Metodou se svařuje většinou tzv. dopředu, tj. před hořákem se pohybuje tyčka přídavného materiálu, ze kterého se tvoří svarový kov na okraji svarové lázně. Hořák je skloněn mírně vzad v úhlu 10° a tyčka je skloněna proti hořáku pod úhlem 70° od svislé.Ambrož et al., str. 134

Netavící se elektrody a spotřební materiál

Elektrody + Teplota tání wolframu a legujících oxidů OznačeníPrvek/Oxid W 3 380 °C ThO2 3 300 °C ZrO2 2 700 °C Y2O3 2 700 °C CeO2 2 600 °C La2O3 2 300 °C

Netavící se elektrodu lze popsat jako jehlu s průměrem od 0,5 do 10 mm a v délce od 50 do 175 mm. Vyrábí se spékáním buď čistého wolframu (99,9 %) nebo wolframu s legurami oxidů kovů thoria, lanthanu, ceru, zirkonu nebo yttria zhruba v množství od 1 do 4 %. Druhy elektrod se rozlišují barevným proužkem umístěným na konci elektrody, kterým se nesvařuje.Ambrož et al., str. 125

Sledovaným faktorem při svařování je opotřebení elektrod. Kromě nežádoucího ponoření elektrody svářečem do svarové lázně, při kterém může dojít k otupení hrotu elektrody, je hrot elektrody při zátěži elektrickým proudem namáhán vysokou teplotou, která zapříčiňuje pomalé odpařování s rychlostí zhruba 4 mm za hodinu. Opotřebení elektrody se projevuje otupením hrotu elektrody, který je nutné pravidelně upravovat (zabrušovat). Hrot elektrody se zabrušuje na brusném kotouči, který by se měl používat pouze pro tyto elektrody, aby se zamezilo jejich kontaminování nežádoucími prvky či sloučeninami. Tvar hrotu závisí na použití druhu elektrického proudu, na polaritě zapojení u stejnosměrného proudu a na druhu ochranného plynu resp. směsi plynů.TIG Handbook – IV, str. 35–36

Elektrody z čistého wolframu se používají s výhodou stabilního oblouku při svařování hliníku a hořčíku a jejich slitin střídavým proudem. Legované oxidy na jednu stranu snižují teplotu tavení elektrody, ale na druhou stranu zvyšují její životnost, dovolenou proudovou zátěž a zvyšují tak efektivitu svařování.