Metoda spawania nietopliwą elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych znana jest przede wszystkim jako spawanie TIG (tungsten inert gas), choć używane są również skróty GTAW (gas tungsten arc welding) i – rzadziej – WIG (wolfram inert gas). Jej początki sięgają lat 30. minionego wieku, jednak od tego czasu technika ta mocno ewoluowała i zyskała na popularności.

Na czym to polega

Spawanie metodą TIG w dużym uproszczeniu polega na doprowadzeniu prądu przez elektrodę wolframową i wytworzeniu łuku elektrycznego pomiędzy nietopliwą elektrodą i spawanymi elementami, który rozgrzewa i stapia łączone w procesie spawania detale. Do wytworzonego w ten sposób jeziorka spawalniczego spawacz z reguły dodaje jeszcze spoiwo w postaci drutu (z osobnego podajnika), które także ulega stopieniu. Po oddaleniu łuku spawalniczego nadtopione brzegi łączonych materiałów i drutu zastygają, tworząc trwałą spoinę w kształcie łuski. W trakcie tego procesu przez dyszę gazową stale dostarczany jest gaz osłonowy, który ma zabezpieczać rozgrzany metal, elektrodę i łuk elektryczny przed niepożądanymi reakcjami chemicznymi z powietrzem (tlenem lub azotem) bądź przed niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi, co przekłada się na wysoką końcową jakość i czystość uzyskanej spoiny. Dzięki temu po zakończeniu spawania nie ma potrzeby wykonywania dodatkowej obróbki spoiny lub jej czyszczenia.

Przy użyciu tej metody można łączyć każdy materiał, jaki poddaje się spawaniu. Doskonale nadaje się do łączenia elementów ze stali nierdzewnej, w tym stali wysokostopowych, ale również innych metali, które wymagają neutralnego gazu ochronnego, w tym m.in. aluminium i stopów aluminium, niklu, a także miedzi czy tytanu. Spawanie TIG można wykorzystywać zarówno do łączenia cienkich, jak i grubych blach.

W zależności od rodzaju prądu dostarczanego przez elektrodę możemy wyróżnić spawanie TIG DC, czyli spawanie prądem stałym (głównie stali stopowych, niestopowych, miedzi i tytanu), lub TIG AC, a więc spawanie prądem przemiennym (m.in. elementów aluminiowych, magnezu). Technika ta spawania może być wykonywana ręcznie bądź też w części lub w całości zautomatyzowana.

Elektroda wolframowa

Głównym elementem procesu spawania metodą TIG jest nietopliwa elektroda wolframowa, od której zresztą pochodzi pełna nazwa metody – angielska nazwa wolframu to tungsten. Pierwiastek ten charakteryzuje się najwyższą temperaturą topnienia (ponad 3400°C) spośród czystych metali, jakie znajdziemy w układzie okresowym pierwiastków, a także bardzo dobrą przewodnością elektryczną i cieplną. Dzięki temu mimo wysokiej temperatury panującej w okolicach łuku elektrycznego sama elektroda nie topi się i nie stanowi części spoiny.

W procesach spawania rzadko jednak stosowana jest „czysta” elektroda wolframowa – z reguły mamy do czynienia z wolframem uszlachetnionym różnymi dodatkami tlenkowymi (m.in. tlenkiem toru, tlenkiem cyrkonu bądź tlenkiem ceru). Mają one ulepszyć właściwości procesu spawania, np. poprawiając inicjowanie łuku elektrycznego, zwiększając jego stabilność bądź podnosząc trwałość elektrody (która stopniowo się zużywa). Rodzaj elektrody powinien być uzależniony od spawanego materiału.

Elektroda wolframowa występuje z reguły w postaci okrągłego pręta o średnicy od 1 do ok. 4 mm. W zależności od wielkości średnicy różne powinny być natężenie prądu spawania i przepływ gazu osłonowego.

Gaz osłonowy i materiał dodatkowy

Jako gaz osłonowy w spawaniu TIG stosuje się najczęściej takie gazy obojętne (gazy niereaktywne) jak argon lub mieszanka argonu z helem. Rzadziej wykorzystuje się sam hel, który wprawdzie podnosi energię cieplną łuku i w efekcie szybkość spawania, ale jednocześnie pogarsza stabilność łuku w naturalnych warunkach spawania. Natężenie przepływu gazu jest związane z jego rodzajem i natężeniem prądu oraz rozmiarem jeziorka spawalniczego. W zależności od zastosowanej dyszy gazowej średnie zużycie gazu podczas spawania TIG wynosi od ok. 5 do nawet 15 l/min.

Wprawdzie w niektórych sytuacjach dopuszczalne jest spawanie bez dodatkowego topnika, z reguły jednak w trakcie procesu wymagane jest użycie materiału dodatkowego. Najczęściej funkcję tę pełnią druty o długości 500–1000 mm i średnicy 0,5–8 mm. Jeśli zaś chodzi o skład chemiczny, to powinien on być zbliżony do spawanych materiałów, a nawet z nimi identyczny, choć zdarzają się sytuacje, w których stosuje się dodatkowe materiały o całkowicie innych właściwościach – głównie do połączeń materiałów trudnospawalnych (np. stali węglowych). Zazwyczaj dodatkowy materiał ma lepsze właściwości niż materiał elementów spawanych, co powinno zapewnić lepsze parametry uzyskanego spoiwa. Dodatkowy topnik może występować również w postaci taśmy lub specjalnej wkładki, które stapiane są w samym złączu.

Wszechstronność

Za największą zaletę spawania przy użyciu metody TIG uznaje się wspomnianą wysoką jakość i wytrzymałość uzyskanego połączenia (najlepszy efekt spośród wszystkich stosowanych obecnie technik spawania). Powstała w procesie spawania spoina nie tylko ma bardzo dobre parametry wytrzymałościowe, ale też jest estetyczna. To sprawia, że metodę TIG wykorzystuje się również do wykonywania połączeń artystycznych. Brak odprysków i innych substancji powstających w wyniku reakcji chemicznych powoduje ponadto, że po skończonym spawaniu uzyskana spoiwa nie wymagają już dalszych działań. 

Wszechstronność tej metody wynika nie tylko z możliwości łączenia nią prawie wszystkich metali i ich stopów, ale też z możliwości stosowania wszystkich pozycji spawania oraz spajania elementów o szerokim zakresie grubości (już poniżej 1 mm). Łatwa obserwacja całego procesu spawania pozwala dokładnie go kontrolować, także pod kątem ilości dostarczanego materiału dodatkowego i zachowania jeziorka spawalniczego.

Jakość kosztem ilości

Ewolucja wszystkich technik spawania (także TIG) wiąże się m.in. z miniaturyzacją źródła prądu. Dzięki temu TIG można stosować nie tylko do tzw. prac stanowiskowych, ale też bezpośrednio w miejscu, w którym znajduje się spawana konstrukcja. Metodę tę można częściowo lub całkowicie zautomatyzować, zastępując spawacza robotem spawalniczym.

Tendencja do wykorzystywania robotów spawalniczych wynika też z faktu, że metoda TIG wymaga od operatora dosyć dużych umiejętności. Ewentualne błędy spawacza mogą przełożyć się na gorszą jakość lub estetykę uzyskanej spoiny. Przed przystąpieniem do spawania techniką TIG niezbędne jest też dokładne przygotowania łączonych elementów (oczyszczenie powierzchni z brudu, resztek farby czy śladów korozji). 

Za największą wadę metody TIG uznaje się małą prędkość spawania, zwłaszcza w przypadku spawania ręcznego i spajania detali o dużej grubości. Tymczasem jest to jeden z najważniejszych parametrów przy wyborze metody spawania. Prędkość przekłada się bowiem na wydajność całego procesu. W przypadku techniki TIG przemieszczanie się elektrody wolframowej zależy od kilku czynników, przede wszystkim zaś od natężenia prądu spawania (od zaledwie kilka amperów do nawet ponad 500 A) oraz rodzaju i grubości łączonych materiałów. Średnie prędkości spawania metodą TIG, w zależności od powyższych parametrów, wahają się od ok. 0,04 do 0,4 m/min.

Choć jednak technika spawania TIG pod względem wydajności przegrywa z innymi metodami, to w sytuacjach, w których niezbędna jest wysoka jakość uzyskanej spoiny, nie ma obecnie sobie równych.

Źródło zdjęcia: Pixabay – Amigos3D