PS 5 2017 WWW 1 46 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Sposób wypływu gazu osłonowego przy metodzie TIG  a jakość złącza spawanego Method of exposure of covering gas with TIG method and quality of weld connector Mgr inż. Mirosława Wiśniewska; dr hab. inż. Maciej Matuszewski – Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy. Autor korespondencyjny/Corresponding author: matus@utp.edu.pl Streszczenie W pracy dokonano oceny wpływu turbulentnego i lami- narnego wypływu gazu osłonowego na uzyskaną jakość spoiny na podstawie badań nieniszczących. Przeanalizowa- no aspekty teoretyczne wypływu gazu osłonowego podczas spawania metodą TIG. Przeprowadzono wstępne badania doświadczalne, które potwierdziły wpływ sposobu wypływu z dyszy gazu osłonowego na jakość złączy spawanych. Słowa kluczowe: metoda TIG; gaz osłonowy; badania nieniszczące; jakość złącza Abstract The work has evaluated the influence of turbulent and laminar covering gas flow on the obtained weld quality on the basis of non-destructive testing. The theoretical as- pects of the covering gas flow during TIG welding have been analyzed. Preliminary experimental studies have been car- ried out which have confirmed the effect of the discharge method from the casing gas nozzle on the quality of welded joints. Keywords: method TIG; cover gas; non-destructive testing; connector quality  Wprowadzenie Spawanie metodą TIG (141) ma szerokie zastosowanie mimo wyraźnie niższej wydajności procesu topienia spo- iwa i wyższych kosztów stosowanych gazów osłonowych niż spawanie MAG/MIG. Zapewnienie stabilnego procesu spawalniczego i uzyskanie spoin o pożądanym poziomie ja- kości w tej metodzie w dużej mierze zależy od zapewnienia stabilnej osłony gazowej [1,2]. Metoda TIG polega na spawaniu łukowym w osłonie gazu obojętnego nietopliwą elektrodą z czystego lub aktywnego wolframu, w którym elektroda wolframowa, łuk spawalni- czy i jeziorko spawalnicze ochraniane są osłoną gazu obo- jętnego przed dostępem powietrza. Spawanie odbywa się wyłącznie z zastosowaniem gazu obojętnego, argonu, helu i ich domieszek, niekiedy z dodatkiem wodoru podnoszą- cego energię łuku spawalniczego. Metoda ta stosowana jest do łączenia wszystkich spawalnych gatunków stali, a także aluminium, magnezu, miedzi, niklu i ich stopów we wszystkich pozycjach. Jednak jedną z jej podstawowych wad jest duża wrażliwość osłony gazowej na zaburzenia tj. podmuchy, wiatry, czy przeciągi [3,4]. Gazy osłonowe są doprowadzane w sposób stały do strefy jarzenia łuku spawalniczego i chronią jeziorko Mirosława Wiśniewska, Maciej Matuszewski przeglad Welding Technology Review spawalnicze przed dostępem tlenu i azotu z powietrza atmosferycznego, zatem osłaniają płynną spoinę. Tlen oraz azot bardzo łatwo wiążą się z żelazem i składnikami stopów żelaza, tworząc liczne związki chemiczne (tlen- ki lub azotki), których występowanie w spoinie na ogół pogarsza jej własności użytkowe. Wydatek gazu osłono- wego jest związany z jego rodzajem i natężeniem prądu. Przy przeciętnych warunkach spawania wydatek argo- nu wynosi ok. 8-16 l/min. Nadmierny wydatek powoduje turbulencje i zasysanie powietrza do przestrzeni łuku. Podczas łączenia metali łatwo utleniających się (np. Ti, Zr, niekiedy stali nierdzewnych), korzysta się z dodatkowej osłony grani spoiny lub spawa się w komorach wypełnio- nych gazem. Gazy osłonowe stosowane podczas spawa- nia metodą TIG zapewniają pełną osłonę elektrody wol- framowej i obszaru spawania przed dostępem powietrza atmosferycznego, pod warunkiem, że nie ma wirów na po- ziomie łuku spawalniczego (turbulentnego wypływu gazu osłonowego) [1,5]. Celem pracy jest próba oceny wpływu turbulentnego i la- minarnego wypływu gazu osłonowego na uzyskaną jakość spoiny na podstawie badań nieniszczących. 47PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Charakterystyka sposobów wypływu  gazu ochronnego Uchwyt do spawania (rys. 1) metodą 141 jest urządze- niem, które doprowadza czynniki konieczne dla procesu spawania – prąd spawania, prąd sterowania, gaz osłonowy i czynnik chłodzący [1,3,4]. Elektroda wolframowa jest umieszczona w dyszy gazo- wej uchwytu spawalniczego i stanowi jeden biegun źródła prądu spawania. Drugi, przeciwny biegun stanowią spawa- ne elementy. Elektrodę wolframową mocuje się w uchwycie za pomocą tulejki zaciskowej o średnicy odpowiadającej średnicy elektrody. Elektroda jest zaciskana w tulejce za po- mocą korka uszczelniającego górną część uchwytu elektro- dy. Dysza gazowa jest osadzona w dalszej części uchwytu. Do niej doprowadza się gaz osłonowy. Podczas spawania gaz osłonowy wypływa z dyszy i zabezpiecza przestrzeń łuku spawalniczego i jeziorko ciekłego metalu przed ze- tknięciem z otaczającym powietrzem atmosferycznym. Gaz szlachetny nie wchodzi w reakcje z ciekłym metalem, więc ochrona procesu spawania jest całkowita. Osłona łuku spawalniczego i jeziorka spawalniczego zależy od kształtu dyszy i ilości przepływającego gazu osłonowego [1]. Zadaniem ceramicznej dyszy gazowej jest centryczne i laminarne wyprowadzenie gazu osłonowego z uchwytu. Taki wypływ gazu z uchwytu stosuje się w celu zapewnie- nia jak największej jakości złącza spawanego. Istotnym elementem uchwytu spawalniczego, który ma wpływ na wy- prowadzanie gazu, a tym samym jakość złącza, jest łącznik prądowy lub soczewka gazowa. Na rysunku 2 przedstawio- no przykładowy łącznik prądowy. Łącznik prądowy TIG posiada 3÷4 otwory, przez które prze- pływa gaz osłonowy. Otwory z powodu bardzo małej średnicy powodują wzrost ciśnienia gazu i prędkości jego wypływu. Wpływający do dyszy gazowej gaz osłonowy zaczyna odbijać się od jej ścianek, co w efekcie powoduje dostarczenie gazu do jeziorka spawalniczego w sposób turbulentny (rys. 3). Rys. 1. Uchwyt do spawania metodą TIG [1] Fig. 1. Handle for TIG welding [1] Rys. 2. Łącznik prądowy TIG [6] Fig. 2. Coupler switch TIG [6] Rys. 3. Schemat wypływu gazu z łącznika prądowego TIG [7] Fig. 3. Scheme of gas outflow from the coupler switch TIG [7] Rys. 4. Soczewka gazowa [6] Fig. 4. Gas lens [6] W celu uniknięcia utlenienia się elektrody wolframowej, ze względu na zaburzony wypływ gazu (turbulentny), ko- nieczne jest zastosowanie określonego wysunięcia elek- trody wolframowej (x1). Wysunięcie to jest mniejsze niż w przypadku zastosowania soczewki gazowej. Przykładowa soczewka przedstawiona jest na rysunku 4. 48 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Rys. 5. Schemat wypływu gazu z soczewki gazowej [7] Fig. 5. Scheme of gas outflow from gas lens [7] Rys. 7. Wypływ gazu z uchwytu spawalniczego TIG, w którym użyto: a) łącznika prądowego TIG, b) soczewki gazowej [9] Fig. 7. Gas outflow from the TIG welding handle used: a) coupler switch TIG, b) gas lenses [9] Rys. 6. Schemat spawania trudno dostępnych miejsc [7] Fig. 6. Weld scheme of hard to reach places [7] Rys. 8. Obraz złącza spawanego z użyciem: a) łącznika prądowego TIG, b) soczewki gazowej Fig. 8. Image of a welded joint using: a) coupler switch TIG, b) gas lenses Soczewka gazowa ma za zadanie stabilizować wypływ gazu z dyszy, czyli zapewniać laminarne wyprowadzanie gazu. Osiąga się to dzięki wbudowanemu filtrowi w formie sitka z wieloma otworami, przez które wypływa gaz osło- nowy. Dodatkowo wpływający strumień do dyszy gazowej w postaci jednolitego słupa gazu pozwala na dłuższe wysu- nięcie elektrody wolframowej, ponieważ gaz dłużej spełnia swoje zadanie (rys. 5). Dłuższe wysunięcie elektrody wolframowej (x2), ułatwia obserwację jeziorka spawalniczego podczas spawania i po- zwala na dojście do trudno dostępnych miejsc spawania. Przykładem takich złączy spawanych, mogą być np.: m.in. roz- gałęzione rury różnych rurociągów (rys. 6) czy zbiorniki [3,4,8]. Na rysunku 7, przedstawiono symulację wypływu gazu z uchwytów spawalniczych przeznaczonych do spawania metodą TIG uzbrojonych w łącznik prądowy TIG (rys. 7a) oraz soczewkę gazową (rys. 7b). Wypływ gazu z uchwytu z łącznikiem prądowym jest turbulentny, przyczynia się to do utrudnionej pełnej ochro- ny elektrody wolframowej oraz jeziorka spawalniczego. Taki przepływ gazu ma również wpływ na uzyskaną ja- kość złącza spawanego. Zawirowania gazu mogą zasycać powietrze z atmosfery i wprowadzać tlenki oraz azotki do złącza. Natomiast w soczewce gazowej wypływający przez sitko gaz osłonowy jest rozbity na wiele malutkich strumieni, co zapewnia przepływ laminarny i w efekcie two- rzy się jeden strumień gazu osłonowego chroniący zarów- no elektrodę wolframową, jak i złącze spawane. Badania doświadczalne W celu weryfikacji wpływu turbulentnego i laminarnego wypływu gazu osłonowego na uzyskaną jakość spoiny prze- prowadzono wstępne badania doświadczalne. Wykonano próbne złącze z materiału X5CrNi18-10 (wg PN-EN 10088-1), stosując spawanie metodą TIG z łącznikiem prądowym oraz soczewką gazową. Do wykonania złącza przyjęto stal chromową, ze względu na dużą podatność do wiązania się chromu z tlenem w temperaturach powyżej 200 °C. W przy- padku zaburzeń ochrony strefy spawania gazem ochronnym mogą powstawać przebarwienia na skutek utleniania się chromu. Złącze wykonano z użyciem drutu spawalniczego G 19 9 L Si (wg EN ISO 14343-A) oraz gazu ochronnego I1 (wg PN-EN ISO 14175). Parametry spawania były następu- jące: prąd spawania – 170 A, napięcie łuku – 11 V, wydatek gazu – 7,5 l/min, przy zastosowaniu dyszy gazowej rozmia- ru „9”. Na rysunku 8 zobrazowano uzyskane próbki. a) b) 49PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Spoina uzyskana spawaniem z zastosowaniem łącznika TIG ma wyraźne przebarwienie, które świadczy o powsta- niu warstwy tlenków. Natomiast spoina, którą wykonano z zastosowaniem soczewki gazowej, jest prawie bez prze- barwień. Wykonane złącza poddano szczegółowym bada- niom wizualnym i penetracyjnym. Na rysunku 9 przedsta- wiono wynik badania penetracyjnego. Na podstawie przeprowadzonych badań nieniszczących stwierdzono, że obydwa złącza spełniają poziom jakości B wg PN-EN ISO 5817. Jednak rozpatrując jakość złączy w aspekcie eksploatacyjnym, a w szczególności odpor- ności na korozję, należy stwierdzić, że złącze wykonane z użyciem soczewki gazowej zapewnia większą odporność na korozję. Dla złącza wykonanego z użyciem łącznika TIG utworzona warstwa tlenków w postaci wyraźnego przebar- wienia będzie przyczyną korozji. Rys. 9. Obraz z badania penetracyjnego złącza spawanego z uży- ciem: a) łącznika prądowego TIG, b) soczewki gazowej Fig. 9. Image of a penetration test of a welded joint using: a) coupler switch TIG, b) gas lenses a) b) Literatura [1] Mizerski J.: Spawanie w osłonie gazów metodą TIG. Podręcznik dla spa- waczy i personelu nadzoru spawalniczego, Wydawnictwo REA s. j., War- szawa 2008. [2] Drabarz M., Chmielewski T.: Wpływ tlenu resztkowego w gazie formuja- cym na wybrane właściwości grani złącza stali 304L spawanego TIG orbi- talnie, Przegląd Spawalnictwa 1/2017, s. 45–50. [3] Kurpisz B.: Procesy spawania metali, Wydawnictwo KaBe s. c., Krosno 2008. [4] Kurpisz B.: Spawanie łukowe elektrodą nietopliwą wolframową w osło- nach gazu (TIG). Podręcznik dla spawaczy i instruktorów, Wydawnictwo KaBe s.c., Krosno 2016. Podsumowanie i wnioski Przeprowadzona analiza oraz wyniki wstępnych badań doświadczalnych potwierdziły wpływ sposobu wyprowadza- nia gazu osłonowego w metodzie TIG na jakość złącza spawanego. W przypadku zastosowania łącznika prądowego TIG następuje turbulentny wypływ gazu, co przyczynia się do zaburzeń ochrony strefy spawania gazem ochronnym. W konsekwencji prowadzić to może do dostawania się tlenu do strefy spawania i tworzenia się tlenków – uzyskane wy- raźne przebarwienia. Złącza takie w aspekcie cech eksploatacyjnych mogą nie spełniać wymaganej jakości, ponieważ wykazują się dużą podatnością na korozję. Natomiast w przypadku zastosowania soczewki gazowej nie obserwuje się tak wyraźnego tworzenia się warstwy tlenków. Soczewka ułatwia laminarny wypływ gazu z dyszy, który dobrze chroni strefę spawania. Przy wypływie laminarnym dobrze jest chroniona strefa spawania, jednak, aby zachować ciągłość pro- cesu, następuje przemieszczanie łuku spawalniczego wraz ze strumieniem gazu osłonowego, co wpływa na ogranicza- nie ochrony stygnącej spoiny. Z uwagi na wstępny charakter badań, należy przeprowadzić szczegółowe badania weryfikacyjne, których wynikiem będą wytyczne w jaki sposób planować i ewentualnie korygować wypływ gazu. [5] Ferenc K.: Spawalnictwo, WNT, Warszawa 2007. [6] www.waspsupplies.com/ck26-stubby-spares-477-c [7] www.jswelding.pl/_cms/view/29/spawanie-tig.html [8] Meka K.: Wymagania spawalnicze dla instalacji rurociągowych w syste- mach dystrybucji gazów wysokiej czystości w przemyśle półprzewodni- kowym, Przegląd Spawalnictwa 5/2015, s. 72–77. [9] www.eastwood.comtig-welding-10-12-gas-lens-cup-kit.html