fronius@tctena.ru

Контактный e-mail

8 (495) 787 33 16

Телефон в Москве

8 (800) 555 33 16

Бесплатно по России

ARC TIG

Сварочный процесс Fronius ArcTig: технологические показатели, возможности, перспективы развития и внедрения

На государственных предприятиях, имеющих в структуре своей деятельности специальную приемку изделий, для большинства ключевых операций действуют требования по обязательному применению на производстве сварочных технологий, утвержденных в соответствующих ГОСТ, ОСТ и внутренних стандартах. При внедрении новых технологий и способов сварки необходимо проведение большого объёма технологических изысканий и согласований с вовлечением надзорных органов и вышестоящих инстанций. Тем не менее с развитием производственного сектора решение задачи повышения производительности сварочных процессов с сохранением или повышением уровня качества изделий является необходимым условием для обеспечения конкурентоспособности продукции на внутреннем и международном рынке.

Одним из способов решения поставленной задачи является внедрение процесса Fronius ArcTig - инновационного высокопроизводительного процесса, основанного на традиционной технологии аргонодуговой сварки неплавящимся электродом в защитном газе (TIG).

Особенности процесса ArcTig

Процесс ArcTig разработан с целью повышения эффективности сварочных операций применительно к стыковым соединениям среднетолщинных элементов с применением роботизированных и автоматических сварочных систем за счёт увеличения производительности и снижения в конечном итоге затрат производства и себестоимости продукции.ArcTig основан на способе сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов – TIG (Tungsten Inert Gas), принципиальная схема приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема процесса сварки традиционным способом аргонодуговой сварки (TIG)

При реализации способа сварки TIG дуга горит между неплавящимся вольфрамовым электродом и металлической заготовкой в бескислородной инертной газовой атмосфере. При зажигании дуги в первые моменты протекания электрического тока вольфрамовый электрод нагревается, увеличивая эффективную площадь области эмиссии электронов – катодного пятна, что уменьшает общее сопротивление дугового промежутка, образуя мягкую широкую дугу. Инертная защитная газовая среда, окружающая дугу, гарантирует отсутствие неконтролируемых химических реакций в сварочной ванне. Это позволяет пользователям получать идеальный внешний вид сварного шва без цветов побежалости, следов разбрызгивания металла, а также качество наружной поверхности с равномерной геометрией сварного шва. Сварка TIG подходит для различных сплавов и применений, включая трудносвариваемые материалы, такие как титан и его сплавы.

Модификация традиционного процесса TIG сварки заключается в особой конструкции сварочной горелки, которая позволяет сфокусировать столб дуги и значительно увеличить плотность энергии в дуге (рис.2). Эффект достигается за счёт интенсивного охлаждения рабочей части, благодаря чему происходит сосредоточение катодной области на острие электрода. При этом общее сопротивление дугового промежутка увеличивается, в свою очередь источник тока инициирует повышение напряжения на дуге для поддержания заданного сварочного тока. Эмиссия электронов происходит с небольшой площади, но с чрезвычайно высокой концентрацией.
Как результат – сварка происходит на более узкой, сфокусированной дуге, позволяя пользователю достигнуть исключительного качества сварного шва в сочетании с высокой скоростью процесса.

Технологические свойства процесса ArcTig

Сфокусированная дуга ArcTig с высокой концентрацией энергии позволяет производить сварку стыковых швов деталей из углеродистых и высоколегированных нержавеющих сталей с толщиной стенки до 10 мм. Кроме того, возможно применение на изделиях из никелевых и титановых сплавов. В отличие от традиционного способа сварки TIG такие соединения выполняются в один проход без зазора и предварительной разделки кромок. При этом скорость сварки превышает аналогичный показатель TIG-процесса. Дополнительный выигрыш в производительности достигается за счёт отсутствия необходимости в выполнении разделки кромок и последующего заполнения сечения шва, зачастую в несколько проходов, что также даёт экономический эффект благодаря минимизации потребления присадочного материала.

Рис. 2. Сравнение строения дуги
при сварке процессами
TIG (слева) и ArcTig (справа)

Для сравнительной оценки эффективности процесса ArcTig была выполнена сварка стыковых соединений пластин из стали ER304 (08Х18Н10) толщиной 8 мм с применением различных способов (рис. 2). Плазменная и ArcTig сварка выполнялись без зазора и разделки кромок. Подача присадочного материала для не применялась.

Рис.3. Внешний вид и поперечное сечение шва, выполненного процессом ArcTig

Для сварки TIG было подготовлено соединение с U‑образной разделкой кромок, сварка проводилась в три прохода с автоматический подачей проволоки. Все образцы сваривались с дополнительной газовой защитой корня шва без принудительного формирования обратного валика.
Полученные данные отражены на диаграммах рис. 4. При этом, для традиционного способа сварки TIG на диаграмме приведены усреднённые величины скорости сварки, погонной энергии дуги и расхода электроэнергии при выполнении одного прохода.

Рис. 4. Сравнение показателей процессов на примере стыкового соединения пластин из стали ER304 (08Х18Н10) толщиной 8 мм при сварке различными способами

Из представленных показателей видно, что ArcTig даёт следующие технологические преимущества по сравнению со сваркой TIG:

  • Производительность: повышение скорости сварки и уменьшение количества проходов в несколько раз сокращает время выполнения сварочных операций;
  • Снижение погонной энергии: оптимальная форма проплавления и высокая скорость сварки предотвращают избыточный нагрев деталей и, как следствие, снижают негативные металлургические и механические эффекты (сварочные напряжения и деформации) от теплового действия дуги на металл шва и зону термического влияния.
  • Сокращение потребности в сварочных материалах: отсутствие разделки кромок и зазора позволяет в максимальной степени использовать основной металл изделия для формирования шва, небольшое количество присадочного материала используется для получения усиления шва с лицевой и обратной стороны соединения.
  • Снижение расхода газа: сокращение времени горения дуги при выполнении сварочных операций позволяет сократить потребление защитного газа в несколько раз.

При технологических характеристиках, близких к свойствам плазменной сварки, количество настраиваемых параметров режима сохраняется тем же, что и при настройке режима традиционной сварки TIG. Это минимизирует объёмы дополнительного обучения и вероятность ошибок сварщиков, особенно в начальный период работы.

Оборудование

Система ArcTig является серийной конфигурацией оборудования Fronius для TIG-сварки. На рис. 5 приведён общий вид роботизированной сварочной системы ArcTig CW с автоматической подачей проволоки.
В качестве источника питания дуги используются аппараты Fronius серии TransTig/MagicWave. В зависимости от требуемой мощности и производительности системы могут применяться источники питания с максимальным током 220, 300 и 500 А. Кроме того, для получения более высоких сварочных токов возможно использование спаренных источников питания по схеме Power Share. В этом случае сварка может проводится на токах до 720 А.

Рис. 5. Роботизированная сварочная система ArcTig CW с автоматической подачей проволоки

Горелки TTW 3600/7200 R ArcTig рассчитаны на работу на сварочных токах 360 и 720 А соответственно c ПВ 100%. Горелка оснащена водоохлаждаемым соплом с сечением вытянутой формы для защиты сварочной ванны в течение всего периода её кристаллизации. Конструкцией горелки предусмотрено использование стандартных стержневых электродов, свободный вылет которых может быть отрегулирован в зависимости от требований по доступу к свариваемому шву. Специальная система фиксации электрода обеспечивает обширную площадь контакта «цанга-электрод», обеспечивая интенсивный теплообмен и надёжный электрический контакт с минимальным сопротивлением (рис. 6).

Интенсивное охлаждение предотвращает перегрев электрода во время сварки, обеспечивая стабильное зажигание и повышенную устойчивость дуги, а также более длительный срок службы расходных частей.

Охлаждение рабочей части горелки, эффективность которого определяет качество реализации процесса ArcTig, осуществляется блоком охлаждения CU1800 или CU4700, обеспечивающим поддержание постоянной температуры теплоносителя и имеющим возможность подключения к контроллерам роботизированных и автоматизированных систем для автоматической активации во время выполнения сварки.

Для использования процесса ArcTig с автоматической подачей проволоки используется механизм подачи проволоки серии KD, оптимизированный для работы с TIG-процессами и оснащённый дополнительной защитой электронных компонентов от воздействия высокочастотных импульсов тока, характерных для бесконтактного зажигания дуги. При подключении механизма подачи проволоки к сварочному источнику соответствующие дополнительные параметры режима подачи проволоки автоматически активируются в меню настроек аппарата. Кроме того, для обеспечения прецизионной подачи проволоки и идеального запуска процесса, особенно при наличии протяжённых направляющих каналов, возможно дооснащение системы дополнительным приводом KD Drive, монтируемым на горелке.

Для проведения модернизации существующих сварочных систем TIG для работы с процессом ArcTig необходимо дооснащение сварочной горелкой и дополнительным блоком охлаждения. В таком случае система может быть в любой момент оперативно переконфигурирована из версии TIG в версию ArcTig и обратно.

Рис. 6 Сравнение схем охлаждения и теплового эффекта
на рабочей части электрода при сварке процессами TIG (слева) и ArcTig (справа)

Процесс ArcTig предназначен для сварки стыковых соединений при изготовлении контейнеров, трубопроводов и трубопроводной арматуры, в производстве турбин, гидроцилиндров, сварных профилей различного сечения, в отрасли специального машиностроения. Несмотря на то, что ArcTig является новым процессом в портфолио Fronius Int., первые промышленные испытания показали его высокую эффективность. За первые месяцы продаж в мире запущено 30 автоматизированных и роботизированных систем. 

Скачать буклет

Сравнение производительности ArcTig с традиционным TIG процессом

Сварка кольцевых швов с помощью процесса ArcTig

 

Сварка продольного шва балки коробчатого сечения телескопического крана с помощью процесса ArcTig

Сварка продольного шва балки коробчатого сечения телескопического крана с помощью процесса ArcTig

НАПЛАВКА НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В СРЕДЕ ЗАЩИТНОГО ГАЗА С ПРИСАДКОЙ ХОЛОДНОЙ ПРОВОЛОКИ

 TIG = сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа

При сварке TIG материал детали разогревается и плавится с помощью неплавящегося электрода. Электрическая дуга зажигается между электродом и деталью. Сварочная ванна и электрод защищены потоком защитного газа, поступающим через сопло. Электрод расположен в центре газового сопла. В качестве защитного газа используются аргон, гелий или смеси из этих газов.

 Обычно возбуждение дуги происходит бесконтактным способом, за счет импульсов высокого напряжения (высокочастотное возбуждение).

 Большинство металлов свариваются постоянным током (DC). Только алюминий, в основном, сваривается переменным током (AC).

 ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ МЕТОДА СВАРКИ TIG

 Преимущества:

  • Высокая универсальность метода
  • Может использоваться для самых различных материалов
  • Может использоваться для выполнения сварочных швов во всех положениях
  • Мощная, устойчивая дуга
  • Высокое качество наплавки
  • Гладкие и ровные сварные швы
  • Отсутствие разбрызгивания металла
  • Отсутствие шлака
  • В некоторых случаях не требуется присадочного металла
  • Высокая скорость сварки при работе с материалами с толщиной до 3 – 4 мм (механизированная сварка горячей проволокой)

 Единственный недостаток метода TIG – это его низкая экономическая эффективность при работе с материалами толщиной более 4 мм.

 ИМПУЛЬС TIG

Так как предустановленная сила тока не всегда идеально соответствует условиям работы в течение всего процесса сварки, часто используется пульсирующий сварочный ток. Например, при сварке труб в стесненных условиях необходимо частое изменение силы тока. Если достигается слишком высокая температура, появляется опасность вытекания жидкого металла из сварочной ванны. При слишком низкой температуре не происходит достаточного расплавления материала детали.

Относительно низкий сварочный ток (базовый ток IG) увеличивается по круто восходящей линии до значительно большей величины (величины тока импульса I1) и снова падает по истечении предустановленного периода (рабочего цикла) до величины базового тока IG. Этот процесс повторяется снова и снова.

Во время сварки небольшие участки в зоне сварки быстро расплавляются и затвердевают. При использовании этого метода значительно легче управлять процессом наплавления сварного шва.

Этот метод также используется при сварке тонколистового металла. Каждая точка расплавления перекрывает следующую, таким образом, формируется аккуратный и ровный шов.

Когда используется импульсный метод TIG при ручной сварке, сварочный пруток прилагается на каждом пике силы тока (это возможно только в диапазоне самой низкой частоте 0,25 – 5 Гц). Более высокая частота импульсов используется обычно при автоматической сварке и служит, в основном, для стабилизации сварочной дуги.

 

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

 Метод сварки TIG применим ко всем свариваемым металлам. Наиболее часто этот метод используется при сварке нержавеющих сталей, алюминия и никелевых сплавов.

Этот метод, в основном, применяется для сварки материалов толщиной 0,3 – 4 мм. При работе с материалами большей толщины, в некоторых случаях, метод TIG используется для сваривания корня сварного шва. Для завершения шва используются другие более производительные методы, такие как MIG/MAG или дуговая сварка под флюсом.

Сила тока, необходимая для сваривания на один миллиметр толщины листа:

 

                        Алюминий                                            -         около 40A

                        Медь                                                    -         около 75 - 80A

                        Низколегированная сталь                   -         около 40A

                        Хромоникелевая сталь                        -         около 40A

(зависит от положения сварочного шва и опыта сварщика)

СВАРКА АЛЮМИНИЯ ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ МЕТОДОМ TIG

Характерное свойство алюминия – его большая активность в реакции с кислородом. Слой оксида (0,1 микрон) немедленно образуется на всей поверхности при нахождении алюминия на воздухе!

Оксидная пленка имеет температуру плавления 2015ºС, тогда как сам алюминий плавится около 650ºС (в зависимости от типа сплава).

Поскольку деталь покрыта оксидной пленкой, обеспечить сварное соединение алюминиевых деталей будет невозможно! Оксидная пленка не будет плавиться, а расплавленный алюминий будет просто стекать. По этой причине крайне важно в первую очередь разрушить эту пленку!

Оксидную пленку можно удалить:

  • механическим способом
  • химическим способом (очень сложный и трудоемкий способ)
  • подачей на электрод положительной полярности
  • при помощи переменного тока

Существуют две теории о механизме разрушения оксидного слоя:

Катодное пятно, перемещаясь по сварочной ванне, вызывает испарение оксида алюминия, в то время как электронная эмиссия из расплава заставляет частицы оксида двигаться к краю сварного шва, где они иногда образуют маленькие линии.

Ионы, атакующие поверхность детали, имеют достаточную энергию для разрушения оксидной пленки; этот процесс можно сравнить с пескоструйной обработкой. В поддержку этой теории можно привести тот факт, что очищающий эффект усиливается при использовании инертных газов, имеющих больший атомный вес (аргон).

 

ПРИНЦИП СВАРКИ ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ ПО МЕТОДУ TIG

ВОЛЬФРАМОВЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ

Вольфрам используется в качестве материала для электродов, благодаря своей высокой температуре плавления (3380°C).

Электроды изготавливаются путем спекания. Для улучшения характеристик электродов они могут быть легированы оксидными добавками.

  • Чистый вольфрам WP:     
  • Низкий стабилизирующий эффект;
  • гладкий, сферический конец электрода;
  • сложность возбуждения дуги на постоянном токе;
  • низкая предельно допустимая нагрузка по току

С оксидом тория WT:       Чем выше содержание оксида тория, тем лучше возбуждение сварочной дуги, больше срок службы и предельно допустимая нагрузка по току. Существует опасность «осыпания» электрода при его перегрузке. Торий обладает слабой радиоактивностью (источник альфа-излучения).

С оксидом церия WC:       Имеет свойства подобные торию, но не радиоактивен.

С оксидом лантана WL:    Увеличенный срок службы по сравнению с электродами с оксидом тория и с оксидом церия, но хуже возбуждение сварочной дуги

 ПОДГОТОВКА ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ СВАРКИ МЕТОДОМ TIG

–  Крайне важно обеспечить абсолютную чистоту деталей!

–  При работе с хромоникелевыми материалами используйте только инструмент из хромоникелевого сплава.

–  При работе с алюминием используйте инструмент только из хромоникелевого сплава, который применялся только при работе с алюминием, а не со сталью.

Алюминий

  • При выполнении стыковых сварных швов необходимо закруглить фаски корня сварного шва, в противном случае возможно образование оксидных включений
  • Требуется больший угол разделки кромок, чем на стальных деталях
  • Макс. угол разделки кромок 80°; как правило, без притупления кромок!
  • Зазор в корне сварного шва > 2 мм, при наличии возможности использовать подложку (хромоникелевые сплавы, керамика; медь использовать нельзя)
  • Прямоугольные стыковые швы выполняются без зазора.

Обезжирить листы – в некоторых случаях требуется термообработка электрода, так как оксидная пленка иногда содержит H2 (при использовании ацетиленовой горелки – снижение эффективности обжига)

При работе с толстыми материалами необходим предварительный нагрев, так как происходит интенсивное излучение тепловой энергии при использовании газовых смесей на основе гелия. В некоторых случаях в предварительном нагреве нет необходимости.

Хромоникелевые сплавы

Применяйте минимально возможный угол разделки кромок, так как хромоникелевые сплавы являются плохими проводниками тепла. Существует риск очень сильного коробления деталей.

Производите сварку при минимально возможной температуре из-за опасности перегрева и выгорания легирующих элементов; для предотвращения окисления необходимо использовать защитное экранирование корня сварного шва (!)

Послать запрос

×