Kulumaton elektrodikaarihitsaus suojaavassa inertissä kaasuilmakehässä on kaarihitsausmenetelmä , jota käytetään alumiinin , magnesiumin ja niiden seosten, ruostumattoman teräksen , nikkelin , kuparin , pronssin , titaanin , zirkoniumin ja muiden ei-ferromagneettisten metallien hitsaukseen. Hitsaustekniikka on samanlainen kuin kaasu- (polttoaine)hitsaus , joten se vaatii erittäin ammattitaitoisen hitsaajan . Tämän teknologisen prosessin avulla voidaan saada korkealaatuisia hitsejä. Tätä menetelmää käytettäessä suorituskykyindikaattorit ovat kuitenkin erittäin alhaiset, eivätkä ne voi kilpailla kuluvien elektrodien hitsauksen kanssa suojakaasuilmakehässä, etenkään puoliautomaattisia hitsauskoneita tai robotteja käytettäessä .
Yksi tämän tekniikan tärkeimmistä eduista on kyky hitsata monenlaisia materiaaleja: vähähiilisten, runsasseosteisten ja martensiittisten terästen ohella mahdollisuus korkealaatuiseen alumiini- ja magnesiumseosten hitsaukseen, ja lisäksi sellaiset metallit ja seokset, kuten titaani, zirkonium, molybdeeni , ovat arvokkaampia nikkeli, kupari, pronssi, messinki . Menetelmää käytetään menestyksekkäästi myös erilaisten materiaalien, kuten hiiliterästen ja ruostumattomien terästen , kuparin ja messingin jne. hitsaukseen. Haittapuolena on lisääntynyt huokosten muodostumisriski hitseihin. [1] [2] [3]
Menetelmälle on ominaista kaksi näkökohtaa. Ensimmäinen koskee ei-kuluvien volframielektrodien käyttöä. Toinen on inerttien kaasujen käyttö , jotka suojaavat sekä hitsisulaa että itse elektrodia. Joissakin tapauksissa käytetään vetyä tai typpeä argonin tai heliumin lisäksi .
Menetelmän tekniset nimet liittyvät ensimmäisissä hitsausyrityksissä tällä menetelmällä käytettyyn heliumiin.
Euroopassa menetelmästä käytetään usein lyhennettä WIG saksan sanasta Wolfram - Inertgas schweißen tai TIG, jossa T tarkoittaa tungstenia ( englanniksi tungsten ). Yhdysvalloissa sitä kutsutaan yleensä GTAW:ksi Gas Tungsten Arc Weldingille . Yhdysvalloissa voimassa on AWS D10.11M/D10.11. [neljä]
Menetelmänumerointi ISO 4063:n mukaan.
Ensimmäisinä vuosina sen jälkeen, kun Humphrey Davy [5] löysi sähkökaaripurkauksen vuonna 1800 ja sähkökaaren Vasily Petrov vuonna 1802, kaarihitsaustekniikka kehittyi hitaasti.
Ajatuksen hitsaamisesta kulumattomalla elektrodilla suojaavassa kaasuympäristössä esitti vasta vuonna 1890 Charles L. Coffin , joka sai siitä US-patentin 419032.
Mutta jopa 1900-luvun alussa ei-ferromagneettisten materiaalien, kuten alumiinin ja magnesiumin , hitsaus aiheutti merkittäviä vaikeuksia, koska nämä metallit reagoivat nopeasti ilman kanssa, muodostaen huokosia ja epäpuhtauksia hitsattuihin liitoksiin, mikä heikentää jyrkästi niiden laatua. . [6]
Teräksen ja muiden metallien korkealaatuisen hitsauksen valmistus vaatii vedyn , typen ja hapen poistamista sulatuksesta hitsausprosessin aikana ja siten estämään ei-toivottujen kuplien tai huokosten muodostumisen. Hyvälaatuisten hitsien saavuttamiseksi on tarpeen käyttää joko hitsausallasta tai lisälaitteita, jotka suojaavat hitsattavat osat ympäröivältä ilmakehältä.
Muutama vuosikymmen myöhemmin, 1920-luvulla, Irving Langmuir ehdotti menetelmää, joka soveltuu korkean lämpötilan kaarihitsaukseen - kaarihitsaukseen kahden volframielektrodin väliin vetyilmakehässä . Valokaari vetyilmakehässä johtaa vetymolekyylien dissosioitumiseen ja rekombinaatioon vapauttaen suuren määrän lämpöä. Vuonna 1924 hän sai US-patentin 1952927.
Yllä olevan prosessin teknologian kehittämisen suorittivat vuonna 1941 Northrop Aircraft Inc : n työntekijät . V.Pavlečka ( tšekki. V.Pavlečka ) ja Russ Meredith ( eng. Russ Meredith ), jotka kehittivät prosessin hitsaukseen kulumattomalla volframielektrodilla, joka soveltuu magnesiumin , alumiinin ja nikkelin hitsaukseen heliumia suojaavassa ilmakehässä. Menetelmän käyttö avasi uusia mahdollisuuksia lentoteollisuudessa käytettäville hitsausmateriaaleille , jotka osoittautuivat erityisen arvokkaiksi sotatarvikkeiden valmistuksessa toisen maailmansodan alussa . [7]
Sitten kehitetylle hitsauspolttimelle myönnettiin US-patentti US2274631.
1950-luvun lopulla Nelson E. Anderson ( eng. Nelson E. Anderson ) patentoi pulssivirralla hitsausmenetelmän (US-patentti US2784349), jossa hitsausvirta on sarja säännöllisiä ja tietyllä tavalla vuorottelevia korkeita pulsseja. ja alhaiset amplitudit. [kahdeksan]
Aluksi hitsausyksikön tasavirtalähteenä käytettiin seleenitasasuuntaajaa .
Hieman myöhemmin hitsausmuuntajia muunnettiin, jotta tällä tavalla pystyttiin kehittämään hitsaukseen paremmin soveltuvia suurtaajuusvirtoja. Viimeaikaiset askeleet ovat johtaneet hitsausvirtalähteiden dynaamisten ominaisuuksien optimointiin, eli hitsausvirran ja -jännitteen säätöön [7]
Kun hitsataan kulumattomalla elektrodilla suojakaasuilmakehässä, sähkökaari syttyy volframielektrodin ja hitsattavien perusmateriaalien tai hitsausaltaan väliin. Syntyvä lämpö sulattaa pohjamateriaalin hitsattujen osien reunat ja yhdessä niiden kanssa täyteaineen.
Tämä manuaalinen hitsausmenetelmä on suhteellisen monimutkainen, koska se vaatii erittäin ammattitaitoisen hitsaajan. Kuten kaasuhitsaus, myös GTAW on suoritettava kahdella kädellä, koska hitsausprosessin aikana hitsaaja pitää yhdellä kädellä kiinni pidikkeestä, jossa on elektrodi (hitsauspoltin) ja toisella kädellä syöttää sauvan hitsausalueelle [9 ] .
On myös tärkeää säilyttää lyhyt kaaren pituus välttäen kosketusta elektrodin ja työkappaleiden välillä [10] .
Hitsauskaari TIG AC -nimisessä menetelmässä saadaan lähteestä, jota nykyään käytetään lähes aina korkeataajuisena generaattorina (samanlainen kuin Teslan muuntaja ), joka antaa sähkökipinän . Tämä kipinä on johtava väliaine hitsausvirran virtaukselle suojakaasuympäristössä ja mahdollistaa valokaaren syttymisen, kun elektrodi on erotettu hitsattavista osista 1,5-3 mm :n etäisyydellä [11] .
Heti kun kaari syttyy, hitsausliitoksen muodostamiseksi hitsaaja siirtää elektrodin hitsausvyöhykkeelle, joka on muodoltaan ympyrän muotoinen, jonka koko riippuu elektrodin koosta ja hitsauksen suuruudesta. nykyinen. Säilyttäen tasaisen etäisyyden elektrodin ja työkappaleen välillä hitsaaja vetää pidikkeen hieman sisään ja kallistaa sitä taaksepäin noin 10-15° pystyasennosta. Täyttötankometallia lisätään manuaalisesti hitsin etureunaan tarpeen mukaan.
Hitsaajat käyttävät usein myös tekniikkaa, jossa elektrodin eteneminen vaihdetaan nopeasti (saamalla varsinainen hitsausliitoksen sauma) lisäaineen kanssa. Täyttösauva lisätään hitsausliitokseen joka kerta, kun elektrodia viedään eteenpäin, mutta se pysyy kuitenkin aina suojakaasuympäristössä estääkseen sen pinnan hapettumisen ja hitsausvyöhykkeen kontaminoitumisen. Alhaalla sulavat metallitäyttötangot, kuten alumiini, vaativat hitsaajan pitämään niitä jonkin etäisyyden päässä kaaresta, mutta samalla suojakaasuympäristössä. Jos sauva on liian lähellä kaaria, se saattaa sulaa ennen kuin ehtii koskettaa hitsausallasta. Hitsausprosessin päätyttyä kaarivirtaa pienennetään usein asteittain, jotta hitsi kovettuu ja siten estetään reunan halkeilu [12] [13] .
Edut sisältävät:
Virheet:
GTAW:n virtalähde on tasavirtalähde; mikä tarkoittaa, että virta (ja siten hitsausvyöhykkeen lämmittävä lämpö) pysyy suhteellisen vakiona kaaren pituudesta ja käytetystä jännitteestä riippumatta. Tämä on tärkeää, koska useimmat GTAW-sovellukset, sekä manuaaliset että puoliautomaattiset, edellyttävät käyttäjää pitelemään elektrodipidikettä käsin. Jos vakiojännitelähdettä käytettäisiin vakiovirtalähteen sijaan, olisi hyväksyttävän kaaren pituuden saaminen vaikeaa, koska hitsausvirran muutoksesta johtuvat kuumenemisasteen muutokset tekisivät hitsausprosessista paljon enemmän. vaikea. [16]
GTAW:n suositeltava lähdenapaisuus riippuu suurelta osin hitsattavan metallin tyypistä. Tasavirtaa, jolla elektrodi on kytketty negatiiviseen napaan (DCEN), käytetään useimmiten hitsattaessa teräksiä , nikkeliä , titaania ja muita metalleja. DCENiä käytetään usein myös alumiini- tai magnesiumhitsauskoneissa, jotka käyttävät heliumia suojakaasuna. [17]
Useimmiten tasavirtaa käytetään syöttämällä "miinus" elektrodiin (englanninkielisessä terminologiassa (DCEN). Koska kaaren muodostavat emittoidut elektronit aiheuttavat suojakaasuväliaineen lämpöionisaatiota, lämpöä syntyy negatiivinen elektrodi eli hitsattavien osien materiaali kuumennetaan lisäksi. Ionisoitunut suojakaasu virtaa elektrodin suuntaan, ei hitsattavaa materiaalia, mikä estää oksidien muodostumisen osien hitsausvyöhykkeellä hitsattava. [17]
Harvemmin käytetty tasavirta syöttämällä "plus" elektrodiin (englanninkielisessä terminologiassa DCEP), pääasiassa pienten osien hitsaukseen tuotteen materiaalin kuumenemisen vähentämiseksi. Sen sijaan, että elektronit virtaisivat elektrodilta tuotetta kohti, kuten edellisessä tapauksessa (DCEN), elektronit virtaavat vastakkaiseen suuntaan. [17]
Muodon säilyttämisen varmistamiseksi ja elektrodin "tylpymisen" estämiseksi tässä tapauksessa käytetään usein halkaisijaltaan suurempia elektrodia, toisin kuin edellisessä tapauksessa. Elektronien virratessa elektrodia kohti hitsattavia osia kohti johdetaan ionisoituja suojakaasuvirtoja, jotka puhdistavat hitsausalueen, poistavat oksideja ja muita epäpuhtauksia ja parantavat siten sen laatua ja ulkonäköä. [17]
Vaihtovirta, jota käytetään laajalti alumiinin ja magnesiumin manuaaliseen tai puoliautomaattiseen hitsaukseen, tiedetään koostuvan kahdesta puoliaalosta, joiden aikana elektrodi ja hitsattavat osat muuttuvat vuorotellen "positiivisiksi" ja "negatiivisiksi" navoiksi. Tällöin elektronivirta muuttaa jatkuvasti suuntaa, mikä samanaikaisesti estää volframielektrodin ylikuumenemisen ja ylläpitää korkeaa lämpötilaa hitsattavien osien materiaalissa. [17]
Oksidit poistetaan pinnalta syklin sen osan aikana, kun elektrodiin kohdistetaan positiivinen jännite. Ja hitsattavien osien syvin kuumeneminen tapahtuu aikavälillä, jolloin elektrodin jännitteen napaisuus on negatiivinen. Joissakin virtalähteissä käyttäjä voi käyttää epäsymmetristä vaihtovirtaa, jolloin hän voi asettaa tarkan prosenttiosuuden ajasta, jolloin virta on kussakin polariteetissa, mikä mahdollistaa teholähteestä tulevan lämmön määrän paremman hallinnan ja parantaa hitsin laatua. [17]
Lisäksi käyttäjän tulee välttää oikaisuvaikutusta , joka estää valokaaren syttymisen uudelleen, mikä voi tapahtua vaihdettaessa suorasta napaisuudesta (miinus elektrodilla) käänteiseen napaisuuteen (positiivinen elektrodilla). Tämän ongelman välttämiseksi kaaren käynnistämiseen voidaan käyttää neliöaaltovirtalähdettä sekä suurtaajuista jännitelähdettä . [17]
Monet teollisuudenalat käyttävät GTAW:ta ohuiden työkappaleiden, pääasiassa ei-rautametallien, hitsaukseen. Tätä tekniikkaa käytetään yhä laajemmin avaruusajoneuvojen valmistuksessa, ja sitä käytetään myös halkaisijaltaan pienten ohutseinäisten putkien hitsaukseen, kuten polkupyörien valmistuksessa. Lisäksi GTAW:ta käytetään usein aihioiden luomiseen tai ensimmäiseen läpikulkuun erihalkaisijaisten putkistojen hitsauksessa. Prosessia käytetään laajasti myös huolto- ja korjaustöissä, kuten työkalujen ja laitteiden korjauksessa, pääasiassa alumiinista ja magnesiumista valmistettujen osien osalta. [kahdeksantoista]
Koska valokaari ei siirry metallia suoraan tässä menetelmässä, täyteaineina on saatavilla laaja valikoima metalleja. Itse asiassa mikään muu hitsausprosessi ei mahdollista näin laajan valikoiman metalliseoksia ja niin monenlaisia tuotekokoonpanoja. Täytetankojen metalliseokset, kuten puhdas alumiini ja kromi, voivat haihtua valokaaren haihtuessa. Tätä ei tapahdu käytettäessä GTAW-prosessia. Koska hitsatuilla tuotteilla on sama tai samanlainen kemiallinen koostumus kuin lejeeringin alkuperäisellä peruskomponentilla (tai vastaavilla peruskomponenteilla), GTAW-hitsaukset kestävät erittäin hyvin korroosiota ja mekaanisia vaurioita pitkiä aikoja. , mikä tekee tästä tekniikasta lähes välttämättömän. valinta sellaisiin kriittisiin toimintoihin kuin käytetyn ydinpolttoaineen säiliöiden sulkeminen ennen niiden loppusijoitusta. [19]
Hitsaajan on työssään käytettävä suojahaalareita , mukaan lukien hitsauspuku, joka koostuu housuista ja pitkähihaisesta takista, käsineistä ja maskista sekä suojaa kovalta ultraviolettisäteilyltä . Koska GTAW ei tuota savua, joka tavanomaisessa kaarihitsauksessa on virtauksen reaktiotuote ilman hapen ja hitsattavien työkappaleiden kanssa, täällä sähkökaaren palaessa ei esiinny kaasumaisia ja kiinteitä hiukkasia (kuonaa) ) muodostuvat; mutta itse valokaari palaa paljon kirkkaammin kuin perinteinen kaarihitsaus, mikä altistaa käyttäjän ankaralle ultraviolettisäteilylle. Kaaren ultraviolettisäteilyllä voi olla eri aallonpituus kuin auringon ultraviolettisäteilyllä; mutta koska hitsaaja on lähellä säteilylähdettä, sen vaikutus on erittäin voimakas.
Palava kaari voi aiheuttaa haittaa terveydelle, mukaan lukien kirkkaat välähdykset, vahingoittaa näköä ( elektroftalmia ) ja vahingoittaa ihoa, kuten vakava auringonpolttama . Suojautuakseen ultraviolettisäteilyn ei-toivotuilta vaikutuksilta hitsaajat käyttävät läpinäkymättömiä kypäriä tummilla laseilla, jotka peittävät kokonaan pään ja kaulan. Nykyaikaiset kypärät on usein varustettu nestekidenäyttöisillä itsestään tummuvilla (fotokromisilla) laseilla, jotka tummuvat itsestään altistuessaan hitsauskaaren kirkkaalle valolle. Lisäksi lähellä olevien työntekijöiden ja muiden ihmisten suojaamiseksi hitsauskaaren ultraviolettisäteilyltä käytetään usein PVC -kalvosta valmistettuja läpinäkyviä hitsaussuojuksia (suojia). [kaksikymmentä]
Hitsaajan on myös usein kohdattava vaarallisia kaasuja ja hiukkasia [21] . Vaikka hitsausprosessin aikana ei synny savua, GTAW-prosessin kirkas kaari voi aiheuttaa ympäröivän ilmavälin optisen hajoamisen, jolloin syntyy otsonia ja typen oksideja. Otsoni ja typen oksidit reagoivat keuhkokudoksen kanssa, mikä aiheuttaa typpihapon muodostumista kosteassa ympäristössä sekä otsonin palamista. Vaikka näiden prosessien vaikutukset ovat kohtalaisia, niiden pitkäaikainen altistuminen sekä toistuva ajoittainen altistuminen voi aiheuttaa emfyseemaa ja keuhkopöhöä, mikä voi johtaa ennenaikaiseen kuolemaan. Siksi on tarpeen hallita ilman parametreja huoneessa, jossa työ suoritetaan. Vastaavasti valokaari voi korkean lämpötilansa vuoksi aiheuttaa myrkyllisten kaasujen ja myrkyllisten yhdisteiden muodostumista hitsin puhdistamiseen ja rasvanpoistoon käytetyistä materiaaleista. Siksi puhdistustoimenpiteitä näillä aineilla ei saa suorittaa hitsauskohdan lähellä, ja riittävä tuuletus on järjestettävä hitsaajan suojaamiseksi. [kaksikymmentä]