Вольфрамовые электроды в технологии сварки

Сварочные вольфрамовые электроды широко используются для ручной, механизированной и автоматической электродуговой бесконтактной сварки тонколистовых (толщиной от 3-4 до 0,05 мм) и крупногабаритных металлических конструкций, требующих высокой прочности, геометрической точности и чистоты шва. Электроды способны качественно сваривать элементы практически из любых металлов, в том числе из высоко- и низкоуглеродистых, легированных и коррозионно-стойких (нержавеющих) сталей аустенитного класса, цветных металлов (меди, магния, алюминия и др.), разного рода сплавов, а также металлов с высокой температурой плавления (молибден, тантал, титан и др.). Благодаря исключительной тугоплавкости (температура плавления – 3422°С, температура кипения – 5900°С), вольфрам во время технологического процесса выгорает незначительно, поэтому электроды из вольфрама называют неплавящимися. Их задача – обеспечение устойчивого горения дуги между торцевым соединением (прилегающими кромками) свариваемых деталей и концом электрода. Температура столба сварочной дуги способна достигать 2000°С. Наряду со сваркой, вольфрамовые электроды применяются для плазменной резки, наплавки и напыления твердых металлов и сплавов.

Рисунок 1. Ручная сварка вольфрамовым электродом.

Описание сварочного вольфрамового электрода, преимущества и недостатки

Стандартные сварочные вольфрамовые электроды имеют форму прямолинейного прутка круглого сечения длиной 50, 75, 150,175 мм с номинальным диаметром от 0,5 мм до 10 мм. Также вольфрамовый электрод может быть выполнен в виде прутка немерной длины в пределах 800-1000 мм. Продукцию изготавливают по ГОСТ 23949-80, ТУ 48-19-27-91, ТУ 48-19-39-85, 48-19-221-83 и ТУ 48-19-527-83 из чистого вольфрама и вольфрама с активирующими легирующими (присадками) добавками редкоземельных металлов (двуокиси тория, окисей лантана, иттрия), которые в определённой пропорции с вольфрамом:

• улучшают показатели производительности;
• повышают устойчивость к перегрузкам и значения ударной вязкости;
• увеличивают глубину проникновения пучка дуги при небольшой силе тока;
• уменьшают степень выгорания и износа пика (острия) изделия;
• обеспечивают оперативный и уверенный первичный и повторный поджиг;
• ускоряют плавление и спаивание металлов разных фракций.

Перечисленные свойства делают вольфрамовый электрод одним из самых востребованных расходных материалов для качественной сварки металлов и сплавов всех типов.

С точки зрения функциональности, производительности и эффективности, минусов у вольфрамовых электродов практически нет. Их недостатками, при определенной степени условности, можно считать необходимость разогрева для зажигания дуги, что легко решается увеличением мощности сварочного аппарата, а также выделение небольшого количества радиоактивных паров и пыли у электродов, легированных торием-232, что успешно нивелируется проветриванием помещения для сварки.

Условия применения вольфрамовых электродов

С целью недопущения окислов на поверхности соединительного шва, сварка вольфрамовыми электродами осуществляется в среде защитного газа, ограждающей зону сварки от воздействия кислорода, паров воды. Для создания такой среды используется химически инертный газ, не взаимодействующий с металлом сварного шва – аргон (Ar), гелий (He), специальные сварочные газовые смеси. Чаще всего используют аргон, поскольку он доступен и стоит недорого, чем объясняется распространенное название этого типа сварки – аргонодуговая сварка. Полуавтоматическая и автоматическая сварка с защитной средой из инертных газов в профессиональных (промышленных) условиях обозначается аббревиатурой MIG, где M – металл, I – инертный, G – газ (Metal inert gas welding).

Ручная сварка вольфрамовым электродом, применяемая на небольших предприятиях, в мастерских, автосервисах, обозначается аббревиатурой TIG (Tungsten Inert Gas), где которой слово «Tungsten» переводится с английского как «вольфрамовый». Формирование защитной среды в разных сварочных аппаратах происходит по-разному. Наиболее распространена локальная защита шва, когда инертный газ выбрасывается из сопла сварочной горелки. Для получения сварных швов максимально высокого качества, например, при производстве титановых конструкций для самолётов, детали свариваются в герметичных камерах с инертным газом. Существуют камеры с встроенным сварочным оборудованием, которое управляется оператором извне, а также большие обитаемые камеры, где сварщики работают в скафандрах.

Буквенно-цифровая маркировка отечественных вольфрамовых электродов по ГОСТ и ТУ

В маркировке отечественных электродов первые две литеры «Э» и «В» указывают на то, что это «электрод вольфрамовый», а химический состав присадок отражают последние литеры аббревиатур:

• ЭВЧ – «Ч» – чистый (вольфрам не менее 99,92%) ГОСТ.
• ЭВЛ – «Л» – лантан (массовая доля окиси лантана 1,1 – 1,4%) ГОСТ, (ВЛ) ТУ.
• ЭВЛ-2 – «Л» – лантан (массовая доля окиси лантана 1,4-1,6%) ТУ.
• ЭВИ-1 – «И» – иттрий (массовая доля окиси иттрия 1,5 – 2,3%) ГОСТ.
• ЭВИ-2 – «И» – иттрий (массовая доля окиси иттрия 2,0 – 3,0%, тантала 0,1%) ГОСТ.
• ЭВИ-3 – «И» – иттрий (массовая доля окиси иттрия 2,5 – 3,5%, тантала 0,1%) ГОСТ.
• ЭВТ-15 – «Т» – торий (массовая доля двуокиси тория 1,5 – 2,0%) ГОСТ.

Международная буквенно-цифровая маркировка вольфрамовых электродов по ISO 6848

В маркировке вольфрамовых электродов, выпускаемых по международному стандарту ISO 6848, так же как в случае с изделиями по ГОСТ 23949-80, содержится указание на химический состав легирующей добавки. Первая латинская литера в международной маркировке всегда «W», которая указывает на базовый материал электрода – вольфрам. Вторая литера обозначает тип присадки. Первая цифра после второй литеры обозначает долю легирующей добавки в процентах:

• Электроды из чистого вольфрама маркируются литерами WP или W.
• Электроды типа WL15 и WL20 содержат оксид лантана (литера «L») в массовой доле около 1,5% и 2% соответственно.
• Маркировка WT10, WT20, WT30, WT40 со второй литерой «T» говорит о присутствии в вольфрамовом электроде присадки двуокиси тория.
• Марка WY-20 указывает на содержание иттрия около 2%.
• Электроды WC-20 содержат оксид церия.
• В марке WZ-8 применяется оксид циркония.

Соответствие параметров электродов (аналоги) разных стандартов

Основная часть выпускаемых по международным стандартам электродов прямо соотносится с российскими изделиями по процентному содержанию легирующих добавок и сварочно-технологическим свойствам. Это позволяет потребителю в любой стране выбрать нужный электрод, вне зависимости от места его производства и поставщика.

• WP (ISO 6848) – ЭВЧ (ГОСТ 23949-80)
• WL15 (ISO 6848) – ЭВЛ (ГОСТ 23949-80), ВЛ (ТУ 48-19-27-91)
• WL20 (ISO 6848) – ЭВЛ-2 (ТУ 48-19-527-83)
• WY-20 (ISO 6848) – ЭВИ-1 (ГОСТ 23949-80), СВИ-1 (ТУ 48-19-221-83)
• WT-20 (ISO 6848) – ЭВТ-15 (ГОСТ 23949-80)

Международная цветная маркировка (цветовой код), свойства и назначение разных типов вольфрамовых электродов

Для упрощения и ускорения выбора нужного типа вольфрамовых электродов по марке, на торцевые части стержней в мировой практике общепринято наносить дополнительную цветовую индикацию, которая отражает их характеристики и назначение. Чтобы выбрать необходимое изделие, сварщику не нужно читать текст на упаковке, цветовой код позволяет быстро и безошибочно определить электрод для выполнения конкретной задачи.

Рисунок 2. Вольфрамовые электроды в пенале.

• Зелёный (green) - марка ЭВЧ/WP (чистый вольфрам без легирования).

Работа на переменном синусоидальном токе (AC) в среде аргона или гелия. Специальное назначение: сварка алюминия, магния, никеля и их сплавов, а также алюминиевой бронзы. Свойства: высокая стабильность дуги, качественный, прочный и геометрически ровный шов.

• Чёрный (black) – марка WL-10 (легирование оксидом лантана 1%).
• Золотистый (golden) – ЭВЛ/ВЛ/WL-15 (легирование оксидом лантана около 1,5%).
• Синий (blue) – марка ЭВЛ-2/WL-20 (легирование оксидом лантана 1,8 - 2,2 %).

Чёрный, синий и золотистый лантановые электроды способны эффективно работать на переменном и постоянном токе (AC/DC), что указывает на их универсальность. Назначение: плазменное напыление, резка, наплавка металлов на различных деталях и формах, а также сваривание тонких листовых нержавеющих, низколегированных, жаропрочных сталей, меди и ее сплавов, никеля, бронзы, магния. Свойства: способность выдерживать высокие токовые нагрузки, длительное сохранение заточки рабочего конца, чистота шва.

• Тёмно-синий (dark blue) – марка WY-20 (легирование оксидом иттрия 1,8 - 2,2 %).

Работает на постоянном токе (DC). Назначение: сваривание особо ответственных конструкций методом TIG в защищённой инертными газами среде. Основные металлы сварки: все типы сталей, титан, медь и их сплавы. Свойства: выдерживает большие токи, при соблюдении технологии сварки обеспечивает качественный шов повышенной надёжности.

• Жёлтый (yellow) – марка WT10 (легирование двуокисью тория 1%).
• Красный (red) – марка ЭВТ-15/WT-20 (легирование двуокисью тория 2%).
• Лиловый (lilas) – марка WT-30 (легирование двуокисью тория 3%).
• Оранжевый (orange) – марка WT-40 (легирование двуокисью тория 4%).

Электроды марок WT содержат торий, который является радиоактивным материалом низкого уровня, и хотя не является фактором риска, при сварке и их заточке в закрытых помещениях необходимо соблюдать определенные требования безопасности. Наиболее используемая марка WT-20 имеет российский аналог ЭВТ-15. Работают электроды на постоянном токе (DC). Основные металлы сварки: нержавеющие стали, тугоплавкие металлы, ниобий, тантал, медь, кремниевая бронза, никель, титан и их сплавы. Свойства: значительно прочнее электродов из чистого вольфрама, не теряют форму рабочего конца при высоких токах.

• Бирюзовый (turquoise) – марка WS-2 (легирование смесью оксидов редкоземельных элементов).

Работа на переменном и постоянном токе (AC/DC). Изделие характеризуется универсальностью сваривания всех типов сталей и сплавов, быстрым запуском и повторным зажиганием дуги, её стабильностью и качеством, отсутствием склонности к прожигам. Рекомендованное назначение: сварка углеродистых и легированных сталей, меди, алюминия, никеля, а также сплавов на их основе.

• Розовый (pink) – марка WC-10 (легирование оксидом церия 1%).
• Серый (gray) – марка WC-20 (легирование оксидом церия 2%).

Цериевые вольфрамовые электроды работают на переменном и постоянном токе (AC/DC). Назначение: сваривание всех типов сталей и сплавов. Это изделия высокой универсальности, которые не требуют специальной подготовки для проведения сварочных работ, характеризуются высокой устойчивостью дуги, формируют аккуратный ровный шов.

• Коричневый (brown) – марка WZ-4 (легирование оксидом циркония около 4%).
• Белый (white) – марка WZ-8 (легирование оксидом циркония 7-9%).

Работа на переменном токе (AC). Особенности: электроды данного типа требовательны к чистоте сварочной среды, но при этом могут работать при более высоких токах, чем изделия с присадками церия, лантана или тория, имеют очень стабильную дугу. Назначение: сварка конструкций из цветных металлов (алюминий, магний, никель, бронза) и их сплавов.

Производство вольфрамовых электродов

В качестве исходного материала для изготовления вольфрамовых электродов используются заготовки в виде прутков, которые обрабатываются ковкой, протяжкой или бесцентровым шлифованием до заданных стандартом размеров. Реже применяется технология волочения, поскольку она более трудоёмка и предполагает дополнительную специальную химическую очистку (травление) заготовок с целью удаления с их поверхности окислов и иных загрязнений.

Подготовка вольфрамовых электродов к сварке

Торцы выходящих с заводского конвейера вольфрамовых электродов имеют прямой срез, поэтому после подбора нужного изделия для решения конкретных производственных задач, выполняют заточку их рабочего конца. От геометрической формы заточки зависит стабильность горения, мощность и глубина проплавления дуги, плотность энергии на аноде, эрозионная стойкость изделия, и в конечном итоге, скорость сварки, чистота и надёжность сварного шва. Длина затачиваемого участка электрода определяется умножением диаметра прутка на 2,5. Для сварки при невысоком токе угол заточки обычно составляет 10-20 градусов, для среднего тока – 20-30 градусов, для тока высокой мощности – 60-120 градусов. Универсальный угол конуса рабочего конца имеет значение в пределах 28-30 градусов. Угол и форму заточки необходимо менять в зависимости от мощности тока, характеристик свариваемого материала, поставленных задач в соответствии с технологическими требованиями. Например, торец ториевых электродов ЭВТ-15/WT-20 обрабатывается в форме площадки с выступами. Рабочий конец электродов марок ЭВЛ/ВЛ/WL-15 и WZ-8 затачивается в форме полусферы.

Формирование сварного шва вольфрамовым электродом

При металлургической совместимости материалов (химических и теплофизических свойств), совмещаемые детали свариваются сплавлением входящих в основные металлы элементов. Под воздействием высокой температуры сварочной дуги по линии стыка или нахлёста запускаются тепловые и диффузионные процессы, шов между деталями заполняется молекулами соединяемых металлов, они «перемешиваются» образуя физически прочную и химически однородную связь – сварное соединение с необходимыми для эксплуатации характеристиками. Если материалы разнородны, используется метод вставки. В зазор между совмещаемыми кромками деталей вводится металлическая присадочная проволока (пруток), которая расплавляется под воздействием температуры сварочной дуги от вольфрамового электрода и формирует стойкое сварное соединение. Существуют и другие технологии аргонодуговой сварки, например, на медной подкладке по ГОСТ 14771-76. В каждом отдельном случае технология формирования сварного шва определяется задачами производства, характеристиками соединяемых металлов, их теплопроводностью, теплоёмкостью, электромагнитными свойствами и т.д.

Области применения вольфрамовых электродов

Вольфрамовые электроды применяют в авто-, авиа-, судо-, двигателестроении, десятках других отраслей народного хозяйства. В роли ключевого рабочего компонента аппаратов аргонодуговой сварки они незаменимы в современных условиях при строительстве и ремонте трубопроводов, восстановлении металлических деталей и узлов конструкций машин и механизмов, производстве сварных металлических объектов из тугоплавких металлов для экстремальных условий эксплуатации: космос, Арктика и т.д.

Рисунок 3. Сварочный аппарат.