UNIVERZITET U TUZLIMAŠINSKI FAKULTET Energetsko mašinstvoPredmet:Osnove proizvodnih tehnologijaŠkolska godina: 2011/2012

SEMINARSKI RAD

Tema: Zavarivanje netopivom volframovom elektrodom u zaštiti argona (TIG,WIG)

Ime i prezime studenata Broj indeksa: > Damir Smajlović > Samir Zahirović I-217/08

Sadržaj:

Uvod..........................................................................................................2

1. Postupci zavarivanja.............................................................................3

2. TIG postupak-elektrolučno zavarivanje netopljivom elektrodom uzaštiti argona.............................................................................................4

2.1 Vrste izvora struje...............................................................................5

2.2 Netopljive elektrode............................................................................8

2.3 Uređaj za zavarivanje........................................................................11

2.4 Modifikovane varijante TIG postupka zavarivanja ...........................12

2.5 Tehnika zavarivanja..........................................................................14

2.6 Primjena TIG postupka zavarivanja..................................................16

2.7 Ekonomska isplativost.......................................................................17

2.8 Zaključak .........................................................................................18

Literatura ...............................................................................................19

1

Uvod

Zavarivanje je proces izrade nerazdvojivog spoja uspostavljanjem međuatomskih veza između dijelova koji se zavaruju, pri kome se pojedinačno ili kombinovano koristi toplotna i mehanička energija, a po potrebi i dodatni materijal. Postupci zavarivanja, koji se najčešće koriste u praksi, zasnovani su na lokalnom zagrijevanju materijala iznad temperature topljenja, kada zavareni spoj nastaje očvršćavanjem (npr. elektrolučno zavarivanje), ili na lokalnom zagrijevanju materijala do temperature topljenja, kada zavareni spoj nastaje uz dodatno djelovanje pritiska (npr. elektrootporno zavarivanje). Zavarivanjem je moguće spajanje metala sa metalom, nemetala sa nemetalom i metala sa nemetalom, ali se u praktičnom smislu podrazumijeva spajanje metala sa metalom.

Pod zavarenim spojem se podrazumijeva konstruktivna cjelina, sl. 1, koju čine osnovni metal (1) i metal šava, ili skraćeno šav, kod koga se razlikuju lice šava (2), naličje šava (3), korijen šava (4) i ivica šava (8), sl. 1.a. Kod postupaka zavarivanja topljenjem šav nastaje očvršćavanjem istopljenog osnovnog i dodatnog metala ili samo osnovnog metala. Dio osnovnog metala, koji se topi u procesu zavarivanja i ulazi u sastav metala šava, zove se uvar (5), čija je granica obilježena sa (6), sl. 1.a, a dubina sa (9), sl. 1.b. Zona uticaja toplote (ZUT), označena sa (7) na sl. 1.a, je onaj dio osnovnog metala, koji je pod uticajem zagrijavanja i hlađenja pretrpio izvjesne strukturne promjene, ali ispod temperature topljenja. Na sl. 1. prikazane su i osnovne dimenzije šava: širina (11), debljina (12) i nadvišenje (10), i to za slučaj sučeonog, sl. 1.b, i ugaonog spoja, sl. 1.c, kao i za navareni sloj, sl. 1.d, kod koga je bitna i njegova debljina (13).

Slika 1. Osnovni elementi zavarenog spoja

2

1. POSTUPCI ZAVARIVANJA

Danas se smatra da je 98 postupaka zavarivanja usvojeno i primijenjeno u praksi, uključujući lemljenje, kao što je definisano u standardu ISO 4063 (EN 24063). Postupci zavarivanja mogu da se podijele na postupke topljenjem i postupke pritiskom, pri čemu u prvu grupu spadaju oni postupci kod kojih se proces spajanja odvija topljenjem i očvršćavanjem na mjestu spoja, a u drugu grupu oni postupci kod kojih se proces spajanja odvija bez topljenja. Osim toga, postupci zavarivanja se često dijele prema izvoru energije: električna (luk, otpor, snop), hemijska (plamen, eksploziv, termiti), mehanička (pritisak,trenje, ultrazvuk) i ostale (npr. svjetlost).

- Pod tehnologijom zavarivanja podrazumjeva se skup operacija koje je potrebno izvesti da bi se napravio zavareni spoj (izbor osnovnog i dodatnog materijala, priprema osnovnog materijala, izbor postupka i parametara zavarivanja).- Pod tehnikom zavarivanja podrazumjevaju se načini izvođenja pojedinih operacija (npr. tehnika zavarivanja unapred ili unazad).

3

2. TIG POSTUPAK-ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE NETOPLJIVOM ELEKTRODOM U ZAŠTITI ARGONA

Elektrolučno zavarivanje netopljivom elektrodom u zaštiti gasa je postupak spajanja metala topljenjem i očvršćavanjem dijela osnovnog metala i dodatnog metala (žica zazavarivanje - ako se koristi), pri čemu se kao zaštita koristi inertan gas (aktivni gasovi ne dolaze u obzir jer bi izazvali oksidaciju vrha elektrode), slika 4.

Slika 4. Šematski prikaz elektrolučnog zavarivanja netopljivom elektrodom

Ovaj postupak se skraćeno obiljležava TIG ili WIG (T od tungsten - engleska reijč za volfram (W) - materijal elektrode, IG-inert gas) i prvobitno je uveden kao postupak zavarivanja Al i njegovih legura zahvaljujući efektu katodnog čišćenja. Ovaj efekt se sastoji u razbijanju i uklanjanju skrame teškotopljivog oksida Al2O3 iz metalne kupke ili sa njene površine dejstvom elektrona koji se kreću od osnovnog metala prema elektrodi, čime se sprečava njegovo taloženje u dnu metala šava i omogućava zavarivanje Al. U današnje vrijeme primjena TIG postupka je znatno veća, najviše

4

zbog vrhunskog kvaliteta spoja, koji se, između ostalog, postiže boljom kontrolom unesene toplote I dodatnog metala zahvaljujući razdvajanju uloga dodatnog metala i elektrode. Zavarivanje TIG postupkom je moguće i bez dodatnog metala, što je posebno važno kod tankih limova.Iako je u osnovi ručni postupak, TIG može da se automatizuje, kako u smislu dovođenja žice, tako i u smislu vođenja elektrode. U odnosu na E postupak osnovne prednosti TIG postupka su bolja zaštita metalne kupke, nepostojanje troske (ne gubi se vrjeme na zamjenu elektrode i skidanje troske kod višeprolaznog zavarivanja), mogućnost korišćenja žica manjeg prečnika, odnosno većih gustina struje.Prednosti TIG postupka posebno dolaze do izražaja kod tankih limova, materijala kao što su obojeni metali i nerđajući čelici, kao I korjenih prolaza odgovornih spojeva. S druge strane, TIG postupak nije konkuretan ostalim elektrolučnim postupcima kada je u pitanju ekonomičnost zavarivanja debelih i/ili dugačkih limova od običnih konstrukcionih čelika. Proizvodnost TIG postupka može da se poveća primjenom varijante sa zagrijanom žicom.

Prednosti TIG postupka su:- vrhunski kvalitet spoja, bez grešaka,- nema rasprskavanja - dodatni metal se topi u metalnoj kupki, ne prenosi se kroz luk,- moguća primjena i bez dodatnog materijala,- odlična kontrola (oblika) korijena,- precizna kontrola parametara zavarivanja,- primjenljiv na veliki broj osnovnih metala,- dobra kontrola izvora toplote i načina uvođenja dodatnog materijala,- nema troske,- bilo koji položaj zavarivanja.

Nedostaci TIG postupka su:- relativno mala toplotna moć i produktivnost,- zahtijeva se posebna obučenost zavarivača,- teškoće u zaštiti zavarenog spoja pri zavarivanju na otvorenom.

2.1 Vrste izvora struje

- jednosmjerna struja (JS) i/ili naizmjenična struja (NS),- JS se koristi za sve osnovne metala, osim za Al, Mg i ostale metale sa tvrdim oksidima za koje se koristi NS,- strmopadajuća statička karakteristika,- noviji izvori struje: tranzistorski ili tiristorski, omogućavaju zavarivanje u ciklusu (startovanje, pulsiranje jačine struje i zaustavljanje luka),- JS izvori su obično sa trofaznom strujom - uniformno opterećenje električne mreže,- NS izvor obično ima i JS,- stariji izvori NS sa jednofaznom strujom - nesimetrično opterećenje električne mreže,

5

- noviji izvori NS manje mase (manji transformator ) - sa tranzistorima (invertori).

Kod TIG postupka se najčešće koriste naizmjenična struja (NS) i jednosmjerna strujadirektne polarnosti (JSDP)(minus pol na elektrodi) . Uticaj vrste struje na oblik šava izveden TIG postupkom je prikazan na sl.5. Jednosmjerna struja direktne polarnosti daje najuži i najdublji šav, sl.5a. Toplota pri zavarivanju se raspoređuje približno 1/3 na elektrodu, a 2/3 na osnovni materijal. Jonizovane čestice su usmjerene od materijala ka elektrodi, a elektroni od elektrode ka osnovnom materijalu, tako da se ne dobija efekt površinskog čišćenja teškotopljivih oksida, kao što je to slučaj kod jednosmjerne struje indirektne polarnosti (JSIP), sl. 6a. Stoga se jednosmjernom strujom direktne polarnosti zavaruju metali kod kojih efekat čišćenja nije potreban (čelici, nikl, bakar i njihove legure). Indirektna polarnost daje najširi i najplići šav, sl. 5b. Toplota pri zavarivanju se raspoređuje suprotno prethodnom slučaju, odnosno 2/3 na elektrodu, a 1/3 na osnovni materijal, što je neracionalno, daje nestabilan luk i pregrijava elektrodu i gorionik. Iako jednosmerna struja indirektne polarnosti, zahvaljujući kretanju elektrona od osnovnog materijala ka elektrodi, proizvodi efekt površinskog čišćenja teškotopljivih oksida, s obzirom na navedene nedostatke njena praktična primena je beznačajna, a za zavarivanje aluminijuma i njegovih legura se koristi naizmenična struja.

Slika 5. Oblik šava u zavisnosti od vrste struje: a) JSDP ; b) JSIP ; c) NS

Naizmenična struja daje šav širine i dubine izmeđa dva polariteta jednosmjerne struje,sl. 5c. S obzirom na prirodu naizmjenične struje (promjena polariteta 50 puta u sekundi) električni luk je nestabilan. Da bi se ova mana naizmjenične struje svela na najmanju mjeru primjenjuje se tzv. visokofrekventni VF generator. Nedostatak je i tzv. nesimetrija struje.Radi se o različitim sposobnostima aluminijuma i volframa da emituju elektrone, usljed čega se povećava negativna poluperioda na račun pozitivne, jer se više elektrona emituje sa volframove elektrode kada je ona na (-) polu. Prva posljedica ove nesimetrije je skoro jednosmjerno dejstvo električnog luka, što uslovljava prekomjerno zagrijavanje zavarivačkog transformatora, a druga posljedica je značajno smanjenje efekta katodnog čišćenja. Da bi se ovo spriječilo, u

6

strujno kolo se uvodi kondenzatorska baterija, vezana redno sa lukom, koja ima zadatak da povećava pozitivne polu-periode, tj. da uspostavlja simetriju talasa struje. Time se ujedno i povećava efekt čišćenja, što omogućava primjenu naizmjenične struje za zavarivanje aluminijuma i njegovih legura. Stoga su noviji transformatori za TIG postupak po pravilu snabdjeveni i VF generatorom i kondenzatorskom baterijom.

a)

b)

Slika 6. a) Efekat katodnog čišćenja; b) Asimetrični i simetrični oblik periode NS

7

2.2 Netopljive elektrode

Netopljive elektrode se izrađuju od volframa, odnosno legura volframa i torijum, cirkonijum ili lantan oksida. Za ručni TIG postupak postoje četir vrste elektroda:

a) Elektrode od čistog volframa (W) - temperatura topljenja 3410°C, koje se proizvode sinterovanjem praška volframa, čistoće min. 99,5%, jer veći udio nečistoća prouzrokuje brzo trošenje elektrode.

b) Elektrode od volframa sa dodatkom 0,9 do 4,2% oksida torijuma (W-Th), koji omogućava lakše emitovanje elektrona, što obezbjeđuje lakše uspostavljanje i održavanje strujnog luka i bolje podnošenje strujnih opterećenja. Osim toga, ovim elektrodama se povećava stabilnost luka na temperaturama, nižim i do 1000°C u odnosu na elektrode od čistog volframa, čime se izbjegava djelimično rastapanje elektrode i obezbjeđuje znatno duži radni vijek. Na sl.7 je prikazana zavisnost gustine struje od temperature za W i WTh elektrode.

Slika 7. Zavisnost gustine struje od temperature kod W i W-Th elektrode

8

c) Volframove elektrode sa 0,3 do 0,9% cirkonijum oksida. Po svojstvima i cijeni ove elektrode su između dvije prethodno navedene grupe. Primjenjuju se samo kod naizmjenične struje, odnosno za zavarivanje aluminijuma i lakih legura.

d) Volframove elektrode sa 0,9 do 1,2% lantan oksida. Koriste se za plazma zavarivanje, jer imaju duži vijek od ostalih varijanti. U tab. 1 su prikazane navedene vrste netopljivih elektroda, zajedno sa sistemom označavanja prema standardu EN 26848 i osnovnim karaketristikama.

- Kodifikacija po hemijskom sastavu: prvo slovo = simbol glavne komponentedrugo slovo = početno slovo oksida + broj (sadržaj oksida x 10)

- Uslovi isporuke:

- prečnici : 0.5; 1.0; 1.6; 2; 2.5; 3.2; 4; 5; 6; 8; 10 (mm)- dužine: 50; 75; 100, 175 (mm)- pravolinijske (strogo)- kvalitet (bez prslina, pora, uključaka).

Tabela 1. Netopljive elektrode

9

Ne samo vrsta materijala, već i oblik vrha elektrode bitno utiče na stabilnost luka I dubinu uvarivanja. Postoje dva osnovna oblika vrha elektrode: konusni i sferni. U prvom slučaju gustina struje je znatno veća, pa je strujni luk koncentrisan, sl. 8a. U drugom slučaju jačina struje je mala, luk nije koncentrisan, pa se dobija znatno manja dubina uvarivanja, a veća širina šava, sl. 8b. Konusni oblik se koristi sa JS, a sferni sa NS, sl. 9.

Slika 8. Uticaj oblika vrha elektrode na oblik šava

Slika 9.

10

2.3 Uređaj za zavarivanje

Uređaj za zavarivanje TIG postupkom je prikazan na sl.10; njegovi osnovni elementi su: izvor struje, boca (ili boce) za zaštitni gas, sa odgovarajućim ventilima, gorionik sa netopljivom elektrodom, paket crijeva za dovod argona, rashladne vode i električni kablovi. Izvor struje je po pravilu strmopadajuće statičke karakteristika, kao kod E postupka, da bi slučajna promjena dužine luka što manje uticala na jačinu struje. Ako se napaja naizmeničnom strujom, uređaj treba da proizvodi simetrične, odnosno uravnotežene talase struje. Gorionik za zavarivanje treba da ima dovoljan strujni kapacitet da se ne bi pregrijavao,a po pravilu se hladi, vazduhom ili vodom. Sastavni dio gorionika je mlaznica, čiji oblik bitno utiče na efikasnost zaštite. Mlaznica treba da ima takav oblik da isticanje zaštitnog gasa bude bez turbulencije, a da pri tome bude što udaljenija od mjesta zavarivanja, da bi zavarivač imao bolji pregled.

Slika 10. Šema uređaja za TIG postupak - osnovni elementi

Crijeva za dovod zaštitnog gasa treba da budu od specijalnog plastičnog materijala ukoliko se koristi He, čiji su atomi toliko mali da kroz obično gumeno crevo difunduju u okolinu.Osim navedenog, uređaj za TIG zavarivanje ima i elemente za regulisanje jačine struje,uspostavljanje luka bez dodira vrha elektrode o radni komad, automatsko otvaranje i zatvaranje protoka argona i rashladne vode, VF generator i

11

kondenzatorsku bateriju, a u slučaju TIG zavarivanja sa zagrijanom žicom postoji i dodatni element za elektrootporno zagrijavanje žice.2.4 Modifikovane varijante TIG postupka zavarivanja

Postoje mnogobrojne varijante modifikovanog TIG postupka, od kojih se najčešće koriste impulsno zavarivanje, zavarivanje u uskom žljebu, orbitalno zavarivanje cijevi, zavarivanje sa zagrijanom žicom, tačkasto zavarivanje, zavarivanje sa dvostrukom zaštitom,ATIG postupak.

Impulsno TIG zavarivanje omogućava optimalno korišćenje energije, jer se jačina struje značajno povećava samo u kratkom periodu vremena kada se rastopljeni vrh dodatni metala odvaja i prenosi u metalnu kupku. Impulsno TIG zavarivanje je veoma pogodno za automatsko (orbitalno) zavarivanje cijevi.

Slika 11. Sučeono spajanje cijevi TIG postupkom

12

Sučeono spajanje cevi TIG postupkom, sl. 11, zahtijeva i specijalni izvor struje za impulsno zavarivanje. Pulsiranje struje počinje sa uspostavljanjem luka, ali uređaj ne rotira oko cijevi sve dok pulsirajuća struja ne postigne radni nivo. U toj fazi se popunjava žlijeb do potpunog provarivanja, a zatim uređaj počinje da rotira oko cijevi. Prije gašenja luka,jačina struje se smanjuje, simetrično početnoj fazi zavarivanja, a uređaj se kreće sve dok se ne postigne potpuno preklapanje početka šava.

TIG tačkasto zavarivanje, takođe nazvano TIG zakivanje, omogućava dobijanje spoja preklapanjem, bez prethodne perforacije radnih komada. Postupak je veoma jednostavan I ne zahtijeva veliku vještinu operatera, veoma je produktivan i može da se automatizuje. Luk nije vidljiv, pa operater ne mora da štiti oči tokom zavarivanja. Postupak je primjenljiv na niskolegirane čelike, aluminijum, debljine 0.5 do 2 mm. Vrijeme zavarivanja je 0.5 do 5 s.

TIG zavarivanje sa zagrijanom žicom zahtijeva grijač, koji električnim otporom predgrijava žicu za zavarivanje, što omogućava brže topljenje dodatnog materijala i veću produktivnost postupka, sl. 12.

Slika 12. Zavarivanje zagrijanom žicom

13

ATIG postupak je postupak razvijen na institutu za zavarivanje “Paton” (Kijev-Ukrajina). Postupak je isti kao klasični TIG postupak, sa tim da se ivice žlijeba prije zavarivanja premažu aktivacionim topiteljom koji omogućava značajno veću dubinu provarivanja i sitnozrnastu strukturu materijala šava. Aktivacioni topitelji nanose se sprejom, flomasterom namjenjenim za nanošenje topitelja, četkicom ili na drugi pogodan način. Povećana dubina provarivanja omogućava sučeono zavarivanje limova sa ravnim „I” žlijebom, bez zazora, bez dodatnog materijala, za debljine 10 do 12 mm. Postupak je znatno ekonomičniji od klasičnog TIG postupka.

2.5 Tehnika zavarivanja

Tehnika ručnog zavarivanja TIG postupkom zahtijeva posebnu pažnju, naročito uspostavljanje i prekidanje luka i rukovanje elektrodom i žicom za zavarivanje. Luk može da se uspostavi na tri načina: dodirom i odmicanjem elektrode, pomoću varnice iz dodatnog uređaja (najčešće VF generator), i primjenom pomoćnog luka koji se uspostavlja između elektrode i mlaznice, a zatim prenosi na osnovni materijal. Najčešće se primjenjuje VF generator, a prvi način se izbjegava, jer značajno oštećuje vrh elektrode. Pošto se luk uspostavi, gorionik se kreće u malim krugovima da bi se obrazovala tečna metalna kupka, sl. 13a, uz postepeno naginjanje u odnosu na vertikalu do 15° kod ručnog zavarivanje, sl.13b, dok kod automatskog zavarivanja gorionik po pravilu ostaje u vertikalnom položaju. Zatim se u metalnu kupku dodaje žica pod uglom od 15°, sl. 13c. Prije pomjeranja gorionika (elektrode) do prednje ivice metalne kupke, sl. 13e, žicu treba udaljiti, sl. 13d. Ponavljanjem ovog postupka dobija se neprekidni šav. Luk se najefikasnije prekida isključivanjem struje, jer bi naglo odmicanje elektrode dovelo do oksidacije metala šava. Za položaje koji nisu horizontalni pravilno držanje gorionika je prikazano na sl 14.

14

Slika 13. Tehnika ručnog zavarivanja TIG postupkom

Slika 14. Tehnika ručnog zavarivanja TIG postupkom u prinudnim položajima

Nepoštovanje propisane tehnologije i tehnike zavarivanja izaziva pojavu grešaka.Najčešći uzroci grešaka su: predugačak luk, prevelik ugao gorionika, pomjeren gorionik iz ose spoja, izvlačenje rastopljenog vrha dodatnog materijala (žice) iz zone zaštite rastopa i sl. Najčešće greške pri radu prikazane sun a slici 15.

15

Slika 15. Nepoštovanje propisane tehnike zavarivanja i odgovarajuće greške2.6 Primjena TIG postupka zavarivanja

TIG postupak zavarivanja ima široku primjenu i smatra se najuniverzalnijim postupkom (obzirom na opseg materijala na koje se može primijeniti): kod proizvodnih zavarivanja, navarivanja I reparaturnog zavarivanja aluminijskih legura i drugih nerđajućih materijala i legura. Primjenjuje se za zavarivanje limova i cijevi debljine već od 0,6 mm do 6 mm (maksimalno 10 mm u više prolaza - za veće debljine je neekonomičan). Iako je TIG izvorno ručni postupak moguća je njegova mehanizacija. Pri tome se slično kao za MAG/MIG postupak koristi uređaj za dotur dodatnog materijala žice, kao i izvor struje zavarivanja sa ravnom statičkom karakteristikom.

16

Slika 16.: Proizvodnja tla!nih posuda, Njemačka

2.7 Ekonomska isplativost

17

Slika 17. Usporedba okvirnih ukupnih troškova za 1 m zavara za TIP TIG i srodne postupke

Na Slici 17. je prikaz okvirnih ukupnih troškova zavarivanja jednog metra zavara postupkom TIG i srodnim postupcima uz uračunatu satnicu zavarivača 30€. Evidentno je da su troškovi zavarivanja TIG postupkom s vrućom žicom višestruko manji od svih konvencionalnih postupaka.

2.8 Zaključak

Zavarivanje netopivom volframovom elektrodom u zaštiti argona (TIG,WIG) je ručni postupak zavarivanja, koji koristi netaljivu volfram elektrodu, inertni ili poluinertni zaštitni plin argon, i posebno dodatni materijal. Karakteristika ovog postupka je stabilan električni luk i visoko kvalitetan zavar, ali zahtjeva izuzetne vještine zavarivača i relativno je spor. Iako se može koristiti za skoro sve vrste materijala, najčešće se koristi za zavarivanje nehrđajućih čelika i lakih metala. Često se koristi kod proizvodnje bicikla, aviona i brodova.Uz druge prednosti TIG-a kao što su velika brzina zavarivanja, velika depozicija i izvrsna kvaliteta ovaj postupak u užem je izboru tehnologija za širi raspon primjena.

18

Literatura:

- http://hr.wikipedia.org/wiki/Zavarivanje

- Priručnik za zavarivače , 2. izdanje, Doboj 2008 g.

- http://www.vizijadanas.com/tig.html

- http://www.zavarivanje.net/

- http://www.zavarivanje-hr.com/index.php/hr/klub/forum/29-tig- zavarivanje

- http://webmail.mef.unsa.ba/mts/docs/vTS1-V10-TIG zavarivanje

19