Do wykonywania spawania łukowego metali w osłonie gazów, podstawowym niezbędnym wyposażeniem jest uchwyt spawalniczy, zespół podawania drutu, źródło zasilania spawalniczego, drut elektrodowy i źródło gazu osłonowego.
Uchwyt spawalniczy i zespół podawania drutuEdit
Typowy uchwyt spawalniczy GMAW składa się z kilku kluczowych części – przełącznika sterującego, końcówkę kontaktową, kabel zasilający, dyszę gazową, przewodnik elektrody i wkładkę oraz wąż gazowy. Przełącznik sterujący lub spust, po naciśnięciu przez operatora, inicjuje podawanie drutu, zasilanie elektryczne i przepływ gazu osłonowego, powodując zajarzenie łuku elektrycznego. Końcówka kontaktowa, zwykle wykonana z miedzi i czasami poddawana obróbce chemicznej w celu zmniejszenia rozprysku, jest podłączona do źródła prądu spawalniczego za pomocą kabla zasilającego i przekazuje energię elektryczną do elektrody, jednocześnie kierując ją na obszar spoiny. Musi być solidnie zamocowany i odpowiednio zwymiarowany, ponieważ musi umożliwiać przejście elektrody przy jednoczesnym zachowaniu kontaktu elektrycznego. W drodze do końcówki kontaktowej, drut jest chroniony i prowadzony przez przewód elektrodowy i wykładzinę, które pomagają zapobiegać wyboczeniom i utrzymywać nieprzerwane podawanie drutu. Dysza gazowa kieruje gaz osłonowy równomiernie do strefy spawania. Niespójny przepływ gazu może nie zapewnić odpowiedniej ochrony obszaru spawania. Większe dysze zapewniają większy przepływ gazu osłonowego, co jest przydatne w przypadku spawania prądem o wysokim natężeniu, podczas którego powstaje większe jeziorko ciekłego metalu. Wąż gazowy ze zbiornika z gazem osłonowym dostarcza gaz do dyszy. Czasami w uchwyt spawalniczy wbudowany jest również wąż wodny, który chłodzi uchwyt podczas spawania w wysokiej temperaturze.
Urządzenie do podawania drutu dostarcza elektrodę do pracy, prowadząc ją przez przepust i do końcówki kontaktowej. Większość modeli dostarcza drut ze stałą prędkością podawania, ale bardziej zaawansowane maszyny mogą zmieniać prędkość podawania w odpowiedzi na długość łuku i napięcie. Niektóre podajniki drutu mogą osiągać prędkości posuwu tak wysokie jak 30 m/min (1200 in/min), ale prędkości posuwu dla półautomatycznych maszyn GMAW zazwyczaj wahają się od 2 do 10 m/min (75 – 400 in/min).
Styl narzędziaEdit
Najczęstszym uchwytem elektrody jest półautomatyczny uchwyt chłodzony powietrzem. Sprężone powietrze krąży w nim w celu utrzymania umiarkowanej temperatury. Jest on używany przy niższych poziomach natężenia prądu do spawania złączy zakładkowych lub doczołowych. Drugim najbardziej powszechnym typem uchwytu elektrodowego jest półautomatyczny uchwyt chłodzony wodą, w którym jedyną różnicą jest to, że woda zastępuje powietrze. Wykorzystuje on wyższe poziomy prądu do spawania złączy T lub narożnych. Trzecim typem uchwytu jest automatyczny uchwyt elektrodowy chłodzony wodą, który jest zwykle stosowany w urządzeniach zautomatyzowanych.
ZasilanieEdit
Większość zastosowań gazowego spawania łukowego wykorzystuje stałe napięcie zasilania. W rezultacie każda zmiana długości łuku (która jest bezpośrednio związana z napięciem) powoduje duże zmiany w dopływie ciepła i natężeniu prądu. Krótsza długość łuku powoduje znacznie większy dopływ ciepła, co sprawia, że drut elektrodowy topi się szybciej i przywraca pierwotną długość łuku. Pomaga to operatorom utrzymywać stałą długość łuku nawet podczas spawania ręcznego za pomocą ręcznych uchwytów spawalniczych. Aby osiągnąć podobny efekt, czasami stosuje się źródło prądu stałego w połączeniu z jednostką podawania drutu sterowaną napięciem łuku. W takim przypadku, zmiana długości łuku powoduje dostosowanie prędkości podawania drutu w celu utrzymania względnie stałej długości łuku. W rzadkich przypadkach można połączyć źródło prądu stałego i jednostkę stałego podawania drutu, szczególnie w przypadku spawania metali o wysokiej przewodności cieplnej, takich jak aluminium. Daje to operatorowi dodatkową kontrolę nad dopływem ciepła do spoiny, ale wymaga znacznych umiejętności, aby wykonać ją z powodzeniem.
Prąd zmienny jest rzadko stosowany w GMAW; zamiast tego stosowany jest prąd stały, a elektroda jest zazwyczaj naładowana dodatnio. Ponieważ anoda ma tendencję do większej koncentracji ciepła, powoduje to szybsze topienie się drutu podającego, co zwiększa penetrację spoiny i prędkość spawania. Biegunowość może być odwrócona tylko wtedy, gdy używane są specjalne druty elektrodowe z powłoką emisyjną, ale ponieważ nie są one popularne, elektroda ujemnie naładowana jest rzadko stosowana.
ElektrodaEdit
Elektrodą jest drut ze stopu metalicznego, zwany drutem MIG, którego wybór, stopu i rozmiaru, jest oparty głównie na składzie spawanego metalu, stosowanej odmianie procesu, projekcie spoiny i warunkach powierzchni materiału. Wybór elektrody ma duży wpływ na właściwości mechaniczne spoiny i jest kluczowym czynnikiem wpływającym na jakość spoiny. Ogólnie rzecz biorąc, gotowa spoina powinna mieć właściwości mechaniczne podobne do materiału rodzimego, bez wad, takich jak nieciągłości, zanieczyszczenia czy porowatość spoiny. Aby osiągnąć te cele, istnieje wiele różnych elektrod. Wszystkie dostępne w handlu elektrody zawierają metale odtleniające, takie jak krzem, mangan, tytan i aluminium w niewielkich ilościach, aby zapobiec porowatości tlenowej. Niektóre zawierają metale odazotowujące, takie jak tytan i cyrkon, aby uniknąć porowatości azotu. W zależności od odmiany procesu i spawanego materiału podstawowego, średnice elektrod używanych w GMAW zwykle wahają się od 0,7 do 2,4 mm (0,028 – 0,095 in), ale mogą być tak duże, jak 4 mm (0,16 in). Najmniejsze elektrody, zazwyczaj do 1,14 mm (0,045 in) są związane z procesem zwarciowym transferu metalu, podczas gdy najbardziej powszechne elektrody w trybie procesu natryskowego transferu są zazwyczaj co najmniej 0,9 mm (0,035 in).
Gaz osłonowyEdit
Gazy osłonowe są niezbędne do spawania łukowego metali gazowych w celu ochrony obszaru spawania przed gazami atmosferycznymi, takimi jak azot i tlen, które mogą powodować wady wtopienia, porowatość i kruchość metalu spoiny, jeśli wejdą w kontakt z elektrodą, łukiem lub metalem spawalniczym. Problem ten jest wspólny dla wszystkich procesów spawania łukowego; na przykład, w starszym procesie spawania łukiem krytym (SMAW), elektroda jest pokryta stałym topnikiem, który wytwarza ochronną chmurę dwutlenku węgla podczas topienia łuku. W metodzie GMAW drut elektrodowy nie jest pokryty topnikiem, a do ochrony spoiny stosowany jest oddzielny gaz osłonowy. Eliminuje to żużel, twardą pozostałość po topniku, która gromadzi się po spawaniu i musi zostać odłupana, aby odsłonić gotową spoinę.
Wybór gazu osłonowego zależy od kilku czynników, przede wszystkim od rodzaju spawanego materiału i stosowanej odmiany procesu. Czyste gazy obojętne, takie jak argon i hel są stosowane tylko do spawania metali nieżelaznych; w przypadku stali nie zapewniają one odpowiedniego wtopienia spoiny (argon) lub powodują nieregularny łuk i sprzyjają powstawaniu odprysków (hel). Czysty dwutlenek węgla, z drugiej strony, pozwala na uzyskanie głębokiego wtopienia spoiny, ale sprzyja tworzeniu się tlenków, co ma negatywny wpływ na właściwości mechaniczne spoiny. Niski koszt sprawia, że jest to atrakcyjny wybór, ale ze względu na reaktywność plazmy łuku, rozpryski są nieuniknione, a spawanie cienkich materiałów jest trudne. W związku z tym argon i dwutlenek węgla są często mieszane w mieszaninie 75%/25% do 90%/10%. Ogólnie rzecz biorąc, w GMAW o krótkim obwodzie, wyższa zawartość dwutlenku węgla zwiększa ciepło i energię spawania, gdy wszystkie inne parametry spawania (napięcie, natężenie prądu, typ elektrody i średnica) są utrzymywane na tym samym poziomie. Gdy zawartość dwutlenku węgla wzrasta powyżej 20%, transfer natryskowy GMAW staje się coraz bardziej problematyczny, szczególnie przy mniejszych średnicach elektrod.
Argon jest również powszechnie mieszany z innymi gazami, tlenem, helem, wodorem i azotem. Dodatek do 5% tlenu (podobnie jak wyższe stężenia dwutlenku węgla wspomniane powyżej) może być pomocny przy spawaniu stali nierdzewnej, jednak w większości zastosowań preferowany jest dwutlenek węgla. Zwiększona ilość tlenu powoduje utlenianie elektrody przez gaz osłonowy, co może prowadzić do porowatości osnowy, jeśli elektroda nie zawiera wystarczającej ilości odtleniaczy. Nadmiar tlenu, zwłaszcza w zastosowaniach, dla których nie jest on zalecany, może prowadzić do kruchości w strefie wpływu ciepła. Mieszaniny argonu i helu są bardzo obojętne i mogą być stosowane na materiałach nieżelaznych. Stężenie helu na poziomie 50-75% podnosi wymagane napięcie i zwiększa ciepło łuku, ze względu na wyższą temperaturę jonizacji helu. Wodór jest czasami dodawany do argonu w małych stężeniach (do około 5%) do spawania niklu i grubych elementów ze stali nierdzewnej. W wyższych stężeniach (do 25% wodoru) może być stosowany do spawania materiałów przewodzących prąd, takich jak miedź. Nie należy go jednak stosować do stali, aluminium lub magnezu, ponieważ może powodować porowatość i kruchość wodorową.
Dostępne są również mieszaniny gazów osłonowych składające się z trzech lub więcej gazów. Mieszaniny argonu, dwutlenku węgla i tlenu są sprzedawane do spawania stali. Inne mieszanki dodają niewielką ilość helu do kombinacji argonowo-tlenowych. Twierdzi się, że takie mieszanki pozwalają na uzyskanie wyższych napięć łuku i prędkości spawania. Hel czasami służy również jako gaz podstawowy, z niewielkimi domieszkami argonu i dwutlenku węgla. Jednakże, ponieważ hel ma mniejszą gęstość niż powietrze, jest mniej skuteczny w osłanianiu spoiny niż argon, który jest gęstszy niż powietrze. Może on również prowadzić do problemów ze stabilnością łuku i wtopieniem, a także do zwiększonego rozprysku, ze względu na znacznie bardziej energetyczną plazmę łuku. Hel jest również znacznie droższy niż inne gazy osłonowe. Inne specjalistyczne i często zastrzeżone mieszanki gazowe zapewniają jeszcze większe korzyści dla konkretnych zastosowań.
Pomimo tego, że tlenek azotu jest trujący, jego śladowe ilości mogą być stosowane w celu zapobiegania powstawaniu jeszcze bardziej kłopotliwego ozonu w łuku.
Pożądana szybkość przepływu gazu osłonowego zależy przede wszystkim od geometrii spoiny, prędkości, natężenia prądu, rodzaju gazu i sposobu przenoszenia metalu. Spawanie płaskich powierzchni wymaga większego przepływu niż spawanie materiałów żłobkowanych, ponieważ gaz szybciej się rozprasza. Większa prędkość spawania oznacza, że należy dostarczyć więcej gazu, aby zapewnić odpowiednie pokrycie spoiny. Dodatkowo, wyższe natężenie prądu wymaga większego przepływu i ogólnie rzecz biorąc, do zapewnienia odpowiedniego pokrycia wymagane jest więcej helu niż w przypadku zastosowania argonu. Być może najważniejsze jest to, że cztery podstawowe odmiany GMAW mają różne wymagania dotyczące przepływu gazu osłonowego – dla małych basenów spawalniczych w trybach zwarcia i natrysku pulsacyjnego, około 10 L/min (20 ft3/h) jest ogólnie odpowiednie, podczas gdy dla transferu kulistego preferowane jest około 15 L/min (30 ft3/h). Odmiana natryskowa wymaga zwykle większego przepływu gazu osłonowego ze względu na większy dopływ ciepła i tym samym większe jeziorko spawalnicze. Typowe ilości przepływu gazu wynoszą około 20-25 L/min (40-50 ft3/h).
Drukowanie 3-D oparte na metodzie GMAWEdit
GMAW była również wykorzystywana jako tania metoda drukowania 3-D obiektów metalowych. Różne drukarki 3D typu open source zostały opracowane w celu wykorzystania GMAW. Takie komponenty wykonane z aluminium konkurują z bardziej tradycyjnie produkowanymi komponentami pod względem wytrzymałości mechanicznej. Tworząc zły spaw na pierwszej warstwie, części drukowane 3-D metodą GMAW mogą być usunięte z podłoża za pomocą młotka.
.