Beskyttelsesgasser for TIG- og plasma-sveising av titan

Sveising av titan må foregå under fullstendig skjerming mot atmosfæren, da metallet reagerer kraftig med oksygen, nitrogen og hydrogen ved temperaturer over 400 ºC.

For å unngå sprøhet i sveisen på grunn av disse kjemisk aktive elementene, er det nødvendig at såvel smeltebadet som den varme sveisesonen beskyttes med en inert gass både på over- og undersiden til materialet er kjølt ned til < 400 ºC.

Inerte gasser (edelgasser) for sveising er argon (Ar), og helium (He).

Valg av gass avhenger av sveiseutstyr, materialdimensjon og om det er manuell eller mekanisert sveising.

Gassene, generelt

Argon: Argon har høy vekt. Fysikalske egenskaper som lav varmeledningsevne og ioniseringsenergi gjør det lett å etablere og opprettholde en stabil lysbue. God tilgjengelighet, som komprimert i gassform eller kondensert (i væskeform).

Kondensert argon viser spesielt jevn kvalitet, da store volumer gass her transporteres og fylles på brukers anlegg i én operasjon. (1 l væskeformet Ar = 8541 gass). Transporteres/lagres i isolerte tanker ved < -186º C.

Helium: Helium har “lav” vekt. Sammenliknet med argon har helium langt høyere varmeledningsevne og ioniseringsenergi. Disse egenskapene gjør at det er vanskelig å etablere og opprettholde TIG-lysbuen ved lave strømstyrker (< 100 A) i heliumatmosfære. Energiinnholdet i lysbuen blir høyere enn i argon. Leveres som komprimert gass. Høyere pris enn argon.

Gassenes egenskaper, sammenliknet

Gassen som beskyttelse

En tung gass vil generelt fortrenge luften bedre enn en lett gass. I sveisestilling under-opp kan imidlertid gass med vekt nær luftens (eller lettere) være fordelaktig.

Heliums lave vekt betinger et forbruk 2-3 ganger høyere målt i 1/min enn for argon.

For å oppnå best mulig beskyttelse over sveisesonen, må utstrømningshastigheten fra gassmunnstykket avpasses. Viktige parametere er gassvekt, størrelse på smeltebad/ varmesone, gassmunnstykkets diameter og gassmengde 1/min.

Best effekt har en laminær (turbulensfri) gasstrøm. Dette oppnås best ved å bruke gasslinse i munnstykket. For høy eller lav gasshastighet (=mengde) kan føre til at luft kommer inn i gassen ved lysbuen, og reagerer med det varme metallet. Utprøving med realistiske produksjonsparametere må foretas for å fastlegge beste gassmengde.

• Anbefalt størrelse på gassmunnstykket (innv.): Det bør ha et areale > 50 % større enn smeltebadet. Bruk gasslinse.
• Slepeskoen, som beskytter sveisen under avkjølingen, må dimensjoneres og formes slik at luft hindres i å komme i kontakt med varmesonen inntil denne er avkjølt til <400ºC. Avstanden mellom materiale og slepesko maks. 1,5 mm.
• Sveisens bakside beskyttes med “bakgass”. For å begrense forbruket i større rørdiametre, finnes i dag ulike verktøy som reduserer nødvendig gassvolum.

Platesveis krever ofte skreddersydd utstyr for å beskytte sveisesonens bakside.

Spyleprosedyre/tid avhenger av det utstyr som benyttes. Måleutstyr for kontroll av 02-innhold i bakgasskammeret leveres av sveiseutstyrsleverandører. Begrens trykket i kammeret slik at sveisen ikke presses utover (anbefalt 100 - 130 Pa).

• Ved flerlagsveis må bakgassbeskyttelsen opprettholdes til sveisens bakside ikke lenger når temperatur > 400º C under sveisingen.
• Bakgassens innhold av 02 må ved sveisingens start ikke overskride 35 ppm. (For å oppnå helt oksidfri bakside må nivået ligge på < 5 ppm).

Buekarakteristikk

Valg av beskyttelsesgass påvirker flere forhold i lysbuen. Buespenningen stiger ved overgang fra argon til helium, på grunn av gassens høye varmeledning og dermed energitap fra lysbuen. Med stigende buespenning øker bueenergien. Buespenningen, og dermed energien, varierer også sterkt med variasjoner i buelengden ved bruk av helium. Dette kan forårsake sveisefeil. Heliums høye ioniseringsenergi bidrar ytterligere med et markert energitilskudd. Ved en gitt oppgave og sveisestrøm kan buespenningen ligge 50%høyere i helium enn i argon.

Med 50% høyere bueenergi ved bruk av helium, blir oppsmeltet areale i grunnmaterialet større. Dette reduserer risikoen for bindefeil, og sveisehastigheten kan økes. Kontrollen med smeltebadet blir imidlertid vanskeligere. Kravet til ekstremt kort og konstant buelengde er vanskelig å tilfredsstille ved manuell sveising.

Argon gir en atmosfære hvor buespenningen og dermed bueenergien påvirkes marginalt ved normale variasjoner i buelengden ved manuell sveising.

Gassblandinger med 70 % Ar-30 % He, 50 %. Ar- 50 % He eller 30 % Ar-70 % He brukes mest for mekanisert sveising av tykkere gods. Blandgassene gir en gunstig kombinasjon av buestabilitet, beskyttelseseffekt og øket bueenergi.

For automatisk, spenningsstyrt avstandskontroll ved mekanisert sveising kan blandgassene ha fordeler fremfor argon. Heliumtilsetningen gir et mer markant utslag i buespenningen ved endringer i buelengden, og et motorisert system korrigerer raskt avstanden mot en referansespenning.

Produsentens spesifikasjon

Gasspesifikasjonen angir:
Minimum andel gass, Ar eller He, i volum %. Angis direkte ¡ % eller kode. Maksimum konsentrasjon av oppgitte fremmedelementer i ppm (parts per million) eller vpm (volumparts per million).

Eksempel: Spesifikasjon Argon 4.6:
Tallet 4.6 betyr at argoninnholdet i % kan skrives med fire 9-tall + ett 6 tall
= > 99,996 % Ar.

Eksempel: Spesiflkasjon Helium 4.8:
Betyr: > 99,998 % He.

Argon 4.6 anbefales som beskyttelsesgass og bakgass for manuell titansveising, og for mekanisert sveising av titan < 8 mm. Ved mekanisert sveising av tykkere gods kan en Ar/He-blanding gi fortrinn. Bakgass: Ar 4.6.

Doggpunkt

Den temperatur der dampens partialtrykk i en gass er lik metningstrykket. Senkes temperaturen under doggpunktet, starter dampen å kondensere. Krav om minimum doggpunkt oppgis ofte, og er et mål på gasseris tørrhet. Doggpunktet sier imidlertid ingenting om vesentlige elementer som oksygen og nitrogen.

Eksempler på sammenheng mellom doggpunkt og fuktighet:

Gassføringssystemet

Produsentens spesifikasjon refererer til gassen på flasken/tanken. Ved transport gjennom regulator, rør, slanger, ventiler etc. kan gassen ta opp forurensninger, slik at innholdet av uønskede fremmedelementer kan gi forringet sveisekvalitet.

For best mulig å opprettholde gassens kvalitet helt fram til lysbuen, må gassføringssystemet bygges opp av kvalitetskomponenter på alle punkter. Renhet og tetthet i systemet er helt nødvendig. Om vi ser gass som tilsettmateriale, er dette lettere å forstå.

• Metallrør, rustfritt/kopper, gir generelt lavere forurensningsnivå til gassen enn plast- og gummislanger. Der det lar seg gjøre, anbefales røropplegg lengst mulig frem mot brukerstedet. Grundig innvendig rengjøring av rørene før montering kreves, og bakgass må brukes ved sveising/lodding!
  
• Regulatorer, ventiler, koblinger, skjøter etc. Seriøse leverandører kan gi råd om utstyr som tilfredsstiller behovet ved titansveising.
  
• Lekkasjer i rørsystem/slanger er den vanligste årsaken til forurensing av gassen. Der gass kan lekke ut, lekker luft inn. Plastslanger viser oftere lekkasje i skjøter enn gummislanger. Hurtigkoblinger kan begynne å lekke etter en tid. Kontroller jevnlig skjøter og koblingspunkter for lekkasje.
  
• Vannkjølte sveisepistoler for TIG eller Plasma kan få små lekkasjer, så fuktighet kommer inn i beskyttelsesgassen. Ofte vanskelig å spore.
  
• Diffusjon gjennom slangematerialer kan i ugunstige tilfeller gi merkbar forurensning. Karakteristisk er at en slange som er tett for fuktighet allikevel kan slippe inn betydelige mengder gasser (oksygen/nitrogen), og omvendt. Gasstrykk i slangen hindrer ikke diffusjon utenfra-inn, da denne drives av partialtrykkforskjellen på de to sider av slangeveggen, og hvert element opptrer uavhengig av de andre.
  
• Reduser risikoen for forurensing av gassen ved å bruke minste brukbare diameter og lengde på slangen. Dette gir kort gjennomstrømningstid, og minimal mulighet for at gassen tar opp uønskede fremmedelementer.
  
• Det finnes i dag både gummi- og plastslanger som kan anbefales. Gummislanger er best mot mekanisk slitasje og høye temperaturer. Enkelte typer plast, som polyetylen, viser meget god tetthet mot diffusjon av både gasser og fuktighet.
  
• Nye rør og slanger inneholder luft og fuktighet som må fjernes før gassen ved lysbuen blir tilstrekkelig ren. Fuktighet er problem-elementet, og det kan kreve flere timer spyling før systemet er tørt nok.
  
• For høyt innhold av oksygen og/eller fuktighet vil også øke slitasjen på W-elektroden.