Inovacije u MIG_MAG i TIG Postupku Zavarivanja

MIZ IIW

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE, 1/2011, str. 23-36 23

Prevod: Milica Antić

INOVACIJE U ELEKTROLUČNOM ZAVARIVANJU

INNOVATIONS IN ARC WELDING Tobias Rosado1, Pedro Almeida1, Inês Pires1,2, Rosa Miranda2,3, Luísa Quintino1,2,

1-IST-UTL Instituto Superior Técnico, Av. Rovisco Pais, 1200 Lisboa, Portugal 2-IDMEC, Instituto de Engenharia Mecânica, Av. Rovisco Pais, 1200 Lisboa, Portugal 3-FCT-UNL, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Quinta da Torre, 2829-516 Monte da Caparica, Portugal.

IZVOD

Razvoj postupaka zavarivanja je tesno povezan sa potrebom povećanja produktivnosti, bez gubljenja kvaliteta izvedenih zavarenih spojeva. Iako je ovo osnovni cilj, ovi postupci moraju biti takvi da održe svoju konkurentnost na svetskom tržištu. Smanjenje troškova i konkurentna cena se sve više vezuju za tehnološke inovacije.

MIG/MAG zavarivanje je jedan od najčešće primenjivanih postupaka u industirji i kao ručno i kao robotizovano. Konvencionalni TIG postupak je poznat kao vrlo precizan postupak sa lakom kontrolom tokom poslednjih godina unapređivan je u smislu povećanja brzine nanošenja materijala.

Ovaj članak ima za cilj da naglasi inovacije u MIG/MAG i TIG postupcima zavarivanja, koji predstavljaju neke korake u ostvarenju prethodno iznetih ciljeva.

UVOD

Razvoj postupaka zavarivanja je tesno povezan sa potrebom povećanja produktivnosti, bez gubljenja kvaliteta izvedenih zavarenih spojeva. Iako je ovo osnovni cilj, ovi postupci moraju biti takvi da održe svoju konkurentnost na svetskom tržištu. Smanjenje troškova i kokurentna cena se sve više vezuju za tehnološke inovacije.

Transfer proizvodnih linija iz zemalja gde je cena rada visoka i zakonodavstvo vezano za opasnosti na radu strogo, poznata je praksa u mnoštvu industrija. Pri tome, ovo je uvek trenutno rešenje za održavanje konkurentnosti. Pre ili kasnije, zarade u ovim zemljama će porasti, a vlade tih država će kreirati obavezujuće zahteve za industriju u vezi primene međunarodnih standarda (IIW, 2005; EN 15011-1, 2003).

Način koji bi mogao da ponudi trajno rešenje je inovacija - proizvesti bolje proizvode sa nižim cenama, u radnom okruženju koje je u skladu sa zahtevima životne sredine; to je izazov koji treba da dostigne svaka kompanija.

Zavarivanje je proizvodni proces koji se koristi u vrlo raznolikim industrijskim sektorima i procenjuje se da je u Evropi više od dva miliona poslova, vezano za tehnologiju zavarivanja. U pogledu ekonomskog uticaja, zavarivanje se koristi u proizvodnom sektoru koji stvara dodatnu vrednost od približno 1600 milijardi eura godišnje u Evropi. Procenjuje se da se oko 5% ove vrednosti odnosi na tehnologije spajanja - 8 milijardi eura.

Podaci na koje se ovde poziva, su čvrsta osnova za razmišljanje o zavarivanju i spajanju kao tehnologijama gde je inoviranje značajno.

Elektrolučno zavarivanje, uglavnom MIG/MAG, je postupak koji se široko primenjuje i kao ručna i kao mehanizovabna verzija. Istraživanje kod ovog postupka je uglavnom fokusirano na dve teme:

• Vsokoproduktivni postupak za deblje limove i dugačke zavarene spojeve

• Bolja kontrola uvarivanja kod korenih zavara i tankih limova

TIG zavarivanje, uobičajeni postupak za visokokvalitetne zavarene spojevei sa malom produktivnošću, može da poveća svoj potencijal u produktivnosti.

Ovaj rad ima za cilj da naglasi neke od inovacija kod MIG/MAG i TIG zavarivanja, koji su predstavnici onih gde su dostignuta poboljšanja.

MIZ IIW

24 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE, 1/2011, str. 23-36

MIG/MAG ZAVARIVANJE

Visokoproduktivne varijante

Tandem zavarivanje

Zavarivanje sa korišćenjem dve elektrodne žice prvi put je primenjeno kod zavarivanja pod praškom. Početkom devedesetih godina prošlog veka, ovo rešenje je uspešno primenjeno i kod zavarivanja u zaštiti gasa. Delovanje rastopljenog metala u dva zavarivačka luka snabdevena odvojenim dodavačima žice, dovelo je do zajedničke zavarivačke kupke i primenjeno kao tandem metoda. Obe struje zavarivanja su odvojene električno, čak se i parametri mogu podešavati nezavisno i pojedinačno za svaku žicu za zavarivanje. Ovo rezultuje velikim mogućnostima kontrole rastopljene zavarivačke kupke i odgovarajućeg oblika zavarenog spoja (šava).

Tokom procesa zavarivanja tandem metodom, obe elektrodne žice se postavljaju jedna posle druge u odnosu na pravac zavarivanja. Prva elektrodna žica, zvana vodeća, obezbeđuje zahtevanu dubinu uvarivanja, dok druga, zvana prateća žica, obezbeđuje zahtevanu ispunu kupke, produžava vreme njene degazacije i obezbeđuje odgovarajući oblik lica, bez poroznosti i prokapina. Obično, vodeća žica ima veći prečnik, što obezbeđuje oko 65% ukupne efikasnosti nanošenja u procesu zavarivanja. Druga žica, koja se postavlja sa kontra strane od zavarivačke kupke, se obično opterećuje nižim intenzitetima struje i kontroliše rastopljeni metal u zavarivačkoj kupki.

Pulzirajuća struja zavarivanja se često koristi kod tandem metode. Kada se kao struja podloge (osnovna) primenjuje ka vodećoj žici, pulzirajuća struja se javlja na pratećoj (slika 1). Ovaj način sinhronizacije impulsa omogućava kontrolu unosa toplote, tako da se ova metoda može primeniti za relativno tankozide elemente, zavarivanje u različitim položajima zavarivanja i na materijalima osetljivim na unos toplote (visoko otporni čelici, dupleks čelici, aluminijumske legure).

Zavarivačka stanica za tandem zavarivanje sastoji se obično od dva invertera - izvora snage za zavarivanje, koji omogućavaju optimalno podešavanje pojedinačnih mašina, kao i dva sistema dodavača elektrodne žice i pištolja za zavarivanje, opremljenog sa dve kontaktne cevi (slika 2) orijentisanih u zahtevanim pravcima. Pištolj mora da bude projektovan i hlađen na takav način, da izdrži strujno opterećnje od 600-1200 A, tokom dugotrajnog ciklusa glavnog gorućeg luka (poželjno je 100% radni ciklus).

Primena tandem zavarivanja umesto konvencionalnog MIG/MAG zavarivanja, posebno kod automatizovanih i robotizovanih stanica za zavarivanje, omogućava porast brzina kretanja čak i do nekoliko metara po minuti, zavisno od debljine zavarenih elemenata i konfiguracije spoja. Takve brzine zavarivanja je nemoguće postići tokom poluautomatskog zavarivanja, mada se tandem zavarivanje obično koristi u mehanizovanim ili robotizovanim procesima. Tandem metoda je jedna od najefektivnijih metoda povećanja produktivnosti zavarivanja.

Na slici 3 je prikazana laboratorijska robotska ćelija za tandem zavarivanje, a na slikama 4-7 makrografski presek različitih spojeva dobijenih ovim procesom.

Slika 1: Dijagram struje kod tandem pulzirajućeg zavarivanja (*delay-kašnjenje)

MIZ IIW


Slika 2: Pištolj za tandem zavarivanje proizvodnje Lincoln Electric

Slika 3: Uzorkovanje epruveta iz raznorodnih zavarenih spojeva

Slika 4: Tandem zavareni spojevi, T spoj -visina ugaonog spoja 3 mm i 5 mm

Žica br. I [A]

U [V]

Vd [m/min]

Vs [cm/min]

Žica br. I [A]

U [V]

Vd [m/min]

Vs [cm/min]

1 176 26 6,2 1 230 27 7,6

2 165 27 6,0 70

2 200 26 6,8 50

MIZ IIW


Slika 5: Tandem zavareni spoj, sučeoni spoj limova debljine 6 mm

Žica br. I, [A] U, [V] Vd, [m/min] Vs, [cm/min]

1 167 25,8 6,1 2 165 25.8 6,0

50

Slika 6: Tandem zavareni spojevi, T spoj sa visinom ugaonog spoja 10mm (čelik S690Q, debljina lima 25 mm)

Žica br. I, [A] U, [V] Vd, [m/min] Vs, [cm/min]

1 300 33 12

2 285 32 11

25

Slika 7: Tandem zavareni spojevi, sučeoni spoj debljine 20 mm na čeliku S690Q

Prolaz Žica br. I [A]

U [V]

Vd [m/min]

Vs [cm/min]

širina amplitude [mm]

1 130 26,0 4,2 1

2 125 26,0 4,0 35 16

1 150 25,0 5,0 2

2 145 25,0 4,9 40 0

1 150 25,0 5,0 3

2 145 25,0 4,9 40 0

1 185 27,0 6,2 4

2 180 27,0 6,0 37 0

1 185 27,0 6,2 5

2 180 27,0 6,0 37 0

MIZ IIW


TIME zavarivanje

Istraživanja na polju povećanja produktivnosti, kroz primenu većih gustina struje kao i sastava zaštitnog gasa, dovela su do novih varijanti zavarivanja u zaštiti aktivnog gasa, tzv. T.I.M.E. ( Transferred Ionised Molten Energy) – preneta jonizaciona energija rastopa. Faktori koji određuju veliku produktivnost procesa su: velika gustina struje i četvorokomponentna mešavina gasova Ar-He-CO2-O2 precizno izabranog sastava (zavisno od klase materijala koji se zavaruje, na pr. za nelegirane čelike je 65%Ar+ 26,6% He+ 8% CO2 + 0,5% O2). Proces se vodi sa velikim gustinama struje i fleksibilnom brzinom zavarivanja, kojima se omogućavaju tri metode prenosa metala kao rezultat promene brzine dodavanja žice:

- kratkospojeni luk – brzina dodavanja do oko 8 m/min (napon luka 16-23,5 V)

- direktni raspršeni luk- brzina dodavanja do oko 25 m/min (napon luka 28-46 V)

- rotirajući raspršeni luk- brzina dodavanja do oko 30-40 m/min (napon luka 47-56 V)

Kod svake metode prenosa metala, razbrizgavanje ne prelazi 2%, a udeo oksidacije metala šava je takođe mali. Rotirajući karakter prenosa metala obezbeđuje široko topljenje i veoma ravan šav (slika 8.), što omogućava uniformno uvarivanje po zidovima spoja, posebno kod ugaonih spojeva. Za dodavanje žice u opsegu 20-25m/min, moguće je postići efikasnost nanošenja od 10-15 kg/h, a kod većih vrednosti čak i 26-27 kg/h.

Produktivnost T.I.M.E postupka je prikazana u obliku brzina nanošenja i navarivanja za široki opseg parametara sa izračunatim gubicima usled razbrizgavanja. Ovi gubici su manji nego kod MIG/MAG, što pomaže eliminaciji naknadnog čišćenja posle zavarivanja, kao i značajnom povećanju produktivnosti zavarivanja.

Na slici 9 je prikazan primer izvora energije za T.I.M.E postupak, a na slikamai 10-12 makroizbrusak spojeva izvedenih T.I.M.E postupkom na različitim spojevima.

Slika 8: Oblik uvarivanja za raspršeni prenos metala kod konvencionalnog MIG/MAG i rotirajući prenos kod T.I.M.E

postupka

Slika 9: TIME 540 proizvođača Fronius

a) b) c)

Slika 10: TIME zavareni spojevi: a) T-spoj sa ugaonim spojem visine 5 mm, jačine struje 165 i b) 230 A; c) T-spoj sa ugaonim spojem visine 5 mm, jačine struje 300 A

MIZ IIW


Priprema i redosled zavarivanja Priprema i redosled zavarivanja

a) b)

Slika 11: TIME zavareni spojevi: a) sučeoni spoj limova, jačina struje 230 A i b) 300 A

Priprema i redosled zavarivanja

Slika 12: TIME zavareni spojevi, 20 mm sučeoni spojevi limova

Niskoenergetski MIG/MAG postupak zavarivanja

Prenos hladnog metala

Proces prenosa hladnog metala (CMT) (Fronius, 2004) je revolucija u tehnologiji zavarivanja kako u odnosu na opremu za zavarivanje, tako i na primenu u zavarivanju. CMT proces nije samo kompletno novi proces, nepoznat do sada, već takođe otvara novo polje primene, šireći granice primene zavarivanja u zaštiti gasa, omogućavajući zavarivanje čelika sa aluminijumom na ponovljivi način, kao i prvi put.

Postoje materijali i primene kod kojih se ne može primenjivati konstantno zagrevanje pri zavarivanju. U cilju izbegavanja kretanja kapljica u zavarivačkoj kupki, kako ne bi bilo razbrizgavanja, kao i da se na pogodan način obavi metalurško spajanje, zahtevaju se niže temperature. Sa CMT je sada to moguće. Termin „hladan“ može biti nerazumljiv kada se govori o procesu zavarivanja, ali kada se uporedi sa konvencionalnim MIG/MAG postupkom, CMT je stvarno hladan proces.

CMT se može opisati kao postupak u zaštiti gasa, gde je unos toplote mali u poređenju sa konvencionalnim elektrolučnim postupkom sa uronjenim lukom. CMT proces je elektrolučni postupak sa uronjenim lukom, sa kompletno novom metodom odvajanja kapi od žice. Kod konvencionalnog postupka sa uronjenim lukom, žica se pomera unapred dok se javlja kratko strujno kolo. U momentu kada struja zavarivanja poraste, uzrokujući kratko strujno kolo da se ponovo otvori, omogućava luku da se ponovo uspostavi. Postoje dve glavne odlike MIG/MAG

MIZ IIW


postupka: s jedne strane velika jačina struje kod kratkospojenog kola odgovara velikim unetim toplotama; s druge strane, kratkospojena kola se prvenstveno stvaraju na nekontrolisan način, što dovodi do značajnog razbrizgavanja kod konvencionalnog postupka. Kod CMT postupka, žica ne samo da se gura unapred, već takođe i vraća od radnog komada- korišćena je oscilujuća žica sa srednjom vrednosti frekvence oscilacija do 70 Hz.

Kod CMT procesa postoje tri odlike koje ga razlikuju od konvencionalnog zavarivanja u zaštiti gasa.

Slika 13: Princip CMT procesa i pogled na jedan ciklus

Prvo, kretanje žice je direktno uključeno u proces kontrole zavarivanja. Sve do sada brzina dodavanja žice je bila ili fiksirana ili je imala prethodno utvrđeno vreme (tj. sinhropuls). Kod CMT procesa, žica se pomera napred ka radnom komadu dok se ne uspostavi kratkospojeno kolo. U tom momentu, brzina žice se poništava i žica se povlači nazad. Kada se kratkospojeno kolo ponovo uspostavi, brzina žice se ponovo poništava, žica se ponovo kreće napred ka radnom komadu i proces ponovo otpočinje. Ne postoji unapred zadato vremensko pravilo za kretanje žice, ali pojava i uspostavljanje kratkospojenog kola određuje brzinu žice i pravac. Može se reći da postoji interakcija između procesa u zavarivačkoj kupki i kretanja žice. Ovo je razlog što se ovde može govoriti samo o srednjoj vrednosti frekvence oscilacija žice, koja direktno zavisi od pojave kratkospojenog kola. Frekvenca oscilacija žice se menja sa vremenom- srednja vrednost oko 70 Hz.

Slika 14: Međusobni odnos između jačine struje, napona i vremena kod CMT procesa

Druga pojava koja karakteriše CMT proces je činjenica da je prenos metala uglavnom nezavisan od struje, dok kod konvencionalnog procesa sa uronjenim lukom to odgovara kratkospojenom kolu. Kod CMT procesa, struja nije duže odgovorna za uspostavljanje kratkospojenog kola. Kada se žica vrati nazad, kretanje potpomaže prenos metala zavisno od površinskog napona rastopljenog metala. Struja tokom kratkospojenog kola treba da se održava što nižom i uneta količina toplote je takođe veoma mala.

MIZ IIW


Konačno, CMT proces se karakteriše činjenicom da pomeranje žice potpomaže prenos metala, kako je ranije pomenuto. Na slici 15. je prikazan uređaj za robotizovano zavarivanje, koje se često koristi u ručnom modu.

Slika 14: Konfiguracija stanice za robotsko zavarivanje sa CMT uređajem

Tipične oblasti primene CMT procesa su sve tanke i ultra lake merne trake, od oko 0,3 mm debljine; za MIG tvrdo lemljenje galvanski prevučenih traka i za spajanje čelika sa aluminijumom. Sem CMT, primene poput ovih pomenutih, su jedino moguće pod teškim i intenzivnim radnim uslovima (na pr. podloška za zavarivačku kupku) ili korisnici treba da presortiraju različite tehnologije zavarivanja - koje naravno podrazumevaju nedostatak zavarenog spoja. Sa CMT, ono što je smatrano nemogućim, postaje moguće.

CMT je postavio i nove standarde u tehnologiji zavarivanja. Ovaj proces je idealan za na pr. automobilsku i prateće industrije, sektor aeronautike i za sve radove na konstrukcijama. Esencijalno je da su svi automatizovani ili robotizovani zadaci, veoma povoljni. Sve uobičajene osnovne i dodatne materijale je moguće koristiti.

Prenos površinskim naponom (STT)

Prenos površinskim naponom - STT zavarivanje (Deruntz, 2003) je zavarivanje u zaštiti gasa, sa prenosom kontrolisanim kratkospojenim kolom. Nasuprot standardnim CV GMAW mašinama, STT mašine nemaju dugme za kontrolu napona (voltaže). STT koristi kontrolu struje, da podesi brzinu dotura žice nezavisno od toplote, tako da promena slobodnog kraja elektrodne žice ne utiče na toplotu. STT proces čini da se kod zavarenih spojeva kod kojih se zahteva mali unos toplote, to i ostvari mnogo lakše bez pregrevanja ili sagorevanja, a distorzija je minimalna. Razbrizgavanje i dimovi se smanjuju zato što se elktrodna žica ne pregreva - čak i sa velikim prečnicima žica i u slučaju korišćenja 100% CO2 gasa. Kombinacija ovog gasa i žice smanjuje troškove potrošnih materijala.

Slika 15: Princip STT procesa i pogled na jedan ciklus

Kod ovog postupka, rastopljena elektrodna žica je u kontaktu sa zavarivačkom kupkom na radnom komadu pre nego što se odvoji, stvarajući periodični kratak spoj. Tipični ciklični periodični oblici talasa su 1/120 s i prikazani su na slici 16.

Objašnjenje svake faze procesa je sledeće:

A. STT proizvodi jednoliko rastopljenu lopticu i održava je dok se „loptica“ skupi i pretvori u „baricu“

MIZ IIW


B. Kada se „loptica“ skupi i pretvori u baricu, struja se smanjuje na nizak nivo i omogućava kvašenje rastopljene loptice i pretvaranje u baricu

C. Automatski, oblik talasa je takav da se stvara maksimalna struja koja proizvodi kratak spoj. Tokom ovog vremena, specijalna strujna kola određuju da li kratak spoj treba da se razbije i smanji jačina struje kako bi se sprečile „eksplozije“ pri razbrizgavanju

D. STT strujna kola ponovo uspostavljaju zavarivački luk na niskim nivoima struje.

E. STT strujna kola prepoznaju da je luk ponovo uspostavljen i automatski primenjuju maksimalnu struju, koja podešava odgovarajuću dužinu luka. Prateći maksimalnu struju, interna strujna kola, automatski uključuju struju pozadine (osnovnu) koja omogućava finu kontrolu toplote.

Slika 16: Tipični oblik talasa u STT postupku

background current‐struja pozadine‐osnovna; pinch current‐oštra struja; peak time‐maksimalno vreme; peak current‐maksimalna struja; tail‐out speed‐brzina bez ostatka) Tail‐out kontrola omogućava podešavanje brzine pri kojoj se struja menja od maksimalne (vršne) do pozadinske (osnovne). U osnovi, Til‐out je gruba kontrola toplote

U tabeli 1 su zbirno date prednosti ovog procesa u odnosu na MIG/MAG i TIG postupak zavarivanja

Tabela 1: Prednosti STT postupka

Prednosti STT pri zameni MIG/MAG zavarivanja kratkim lukom Prednosti STT pri zameni TIG zavarivanja

- Značajno smanjuje nedostatak stapanja - Dobra kontrola „barica“ - Mogućnost izvođenja stalno kvalitetnih zavarenih

spojeva (provera X-zracima) - Smanjuje se vreme za obuku - Manje nastajanje dima i razbrizgavanje - Mogu se koristiti različiti sastavi zaštitnih gasova - 100% CO2 ( na nelegiranim čelicima )

- Četiri puta brži nego TIG - Zavarivanje u vertikalnom položaju na dole - Smanjeno vreme obuke - Mogu se koristiti različiti sastavi zaštitnog gasa - 100 % CO2 ( na nelegiranim čelicima) - Zavareni spojevi nerđajućih čelika, niklovih legura i

nelegiranog čelika - Stalni kvalitet zavarenih spojeva (provera X-zracima)

Na slici 17 je prikazana oprema za STT zavarivanje. STT je takođe idealan za zavarene spojeve na cevima i limovima sa otvorenim korenom, tanke trakaste materijale u automobilskoj industriji, silicijumske bronze, nerđajuće čelike i legure nikla u petrohemijskim kompleksima i industriji hrane, galvanski prevučenim čelicima, za poluautomatsku i robotizovanu primena.

MIZ IIW


Slika 17: Uređaj (Power Wave 455) proizvođača Lincoln

Hladni luk

Rad na razvoju čiji je cilj postizanje niskoenergetskog procesa bez mehaničkih intervencija u procesu dodavanja žice, doveo je do varijante procesa, gde su sve potrebne izmene vezane samo za izvor struje. Ova varijanta MIG/MAG postupka, poznata kao HLADNI LUK, je proces kratkospojenog luka, a naziva se tako zbog cikličnih promena između luka i faze kratkog spoja. Električni izlaz tokom ponovnog uspostavljanja luka je kritičan kriterijum za uspešno zavarivanje tankih traka, aktivna intervencija se izvodi na izlazu za struju za ceo proces, međutim, drugim rečima, tokom faze luka, u fazi kratkog spoja i posebno pri ponovnom uspostavljanju luka, izlazni napon ostaje isti kao kod normalnog procesa kratkospojenim lukom. Ovo se koristi kao osnovna vrednost pri kontroli jačine struje. Međutim, da bi se to postiglo, zahteva se kontinualno merenje napona sa odgovarajućom reakcijom prema svim promenama napona (visoko dinamična brza regulacija vrednosti). Digitalni signal procesor (DSP) se tada može koristiti da ekstraktuje snagu iz luka odmah posle ponovnog uspostavljanja, u periodu manje od 1µs, tako da se ponovno uspostavljanje luka obavlja vrlo nežno. Tako se može stvoriti dovoljna količina rastopljenog materijala na vrhu elektrodne žice, međutim, to je povećanje udela zahtevane energije.

Faza 1 Faza 2 Faza 3

Gorenje luka Kratki spoj Rezolucija kratkog spoja i obnavljanje faze gorenja

Slika 18: Faze procesa hladnog luka

Odmah po ponovnom uspostavljanju luka, struja opet počne povratno da raste u definisanom kratkom periodu, koji je poznat kao impuls topljenja. Samo tada se jačina struje smanjuje na ekstremno nizak nivo da bi se minimiziralo naredno topljenje, i započeo sledeći ciklus. Ovaj impuls topljenja posle svakog kratkog spoja stvara rastopljeni konus konstantne veličine na elektrodnoj žici, što zanči da proces protiče vrlo ravnomerno i glatko. Ovo je jedini način kojim je moguće raditi pri ekstremno niskim jačinama struje u procesu između dva kratka spoja, bez dodatnog topljenja žice ili prekidanja luka. Sve ovo doprinosi da se izvede vrlo niskoenergetski proces hladni luk. Na sledećoj slici je prikazan niz snimaka iz filma dobijenog velikim brzinama snimanja, na kojima je prikazan vrlo fini prenos materijala i nežno uspostavljanje luka.

MIZ IIW


Slika 19: Faze procesa hladnog luka- film velike brzine

Prikaz prestajanja luka i ponovno uspostavljanje luka prikazani su na slici 20.

Slika 20: Prikaz momenta uspostavljanja luka - upoređenje procesa hladnim lukom i standardnog kratkospojenog luka

Prednosti procesa hladnim lukom, u poređenju sa standardnim kratkim lukom u momentu ponovnog uspostavljanja i odmah posle toga, postaju vrlo jasne. Ovde je izlaz u momentu ponovnog uspostavljanja luka značajno niži i to ne samo kao apsolutna vrednost. U suštini, odmah posle uspostavljanja luka, izlaz se smanjuje na izuzetno dinamičan i kontrolisan način i tada, posle stabilizacije luka, raste do definisanog topljenja vrha elektrodne žice na pulzirajući način.

Proces ovog tipa se može koristiti za mnoštvo zavarivačkih zadataka, posebno na konstrukcijama vozila gde normalni kratki luk nije dugo stabilan. Samo pre nekoliko godina zaključeno je da se MIG/MAG postupak može koristiti za panele čelika, debljina iznad 0,7 mm i za aluminijum preko 3 mm. Debljina panela u konstrukcijama vozila danas postaje sve manja, međutim, već su te debljine spale na 0,3 mm, a 0,2 mm se ispituje za kompozitne materijale. Poteškoće u postizanju čak i kod većih žlebova mogu biti premošćene. Ovo je tipičan zadatak za proces hladnim lukom.

Već neko vreme se koriste različite tehnike zavarivanja za zavarivanje limova sa prevlakama ili, drugim rečima korišćenje dodatnog materijala za elektrolučno tvrdo lemljenje na bazi bakra. Ovo omogućava da se zaštiti sloj cinka, ali poteškoće mogu biti veće ako postoje veći vazdušni zazori. Procesom sa hladnim lukom, s druge strane, čak se i veći zazori mogu premostiti dodatnim materijalom.

Glavne oblasti primene su:

- Spajanje najtanjih traka debljine 0,3 mm

- Tvrdo lemljenje i zavarivanje pocinkovanih limova

- Tvrdo lemljenje sa redukovanom toplotom na bazi inoviranih cinčanih žica kao alternativa legurama na bazi Cu, kao što je CuSi3

- Spajanje mešanih spojeva, kao što je čelik-aluminijum, čelik-magnezijum (Če-Al, Če-Mg)

- Zavarivanje legura magnezijuma

MIZ IIW


TIG ZAVARIVANJE

Konvencionalni TIG postupak (Volfram Inert Gas) je vrlo lak za kontrolu i precizno zavarivanje i koristi se od početka drugog svetskog rata. Moguće je postići visok kvalitet zavarenih spojeva u širokom opsegu osnovnih materijala (na pr. ugljenični čelici, nerđajući čelici, Ni, Ti, Cu ili Mg legure) gde se zahteva odsustvo defekata, distorzije, dimova, a zahteva nizak sadržaj vodonika. Za tanje trake (manje od 3 mm), ručni TIG se normalno izvodi u ručnoj varijanti gde su struje zavarivanja niže. Međutim, zahtevaju se kvalifikovani operateri. Najznačajniji nedostatak ovog procesa je zavarivanje debljih preseka (više od 3 mm). U tim slučajevima zahteva V ili X žleb i dodatni materijal, uz mane brzine nanošenja (manje od 0,5 kg/h), što je glavna mana koja se odnosi na produktivnost zavarivanja. Istovremeno, uz višeslojno zavarivanje i termičke cikluse (proporcionalno debljini) ovo doprinosi distorziji i većim nivoima prisustva grešaka (zaprljanosti).

MIG/MAG (Metal Inert Gas/ Metal Aktiv Gas), PAW (plazma lučno zavarivanje), LBW (zavarivanje laserskim snopom) ili EBW (zavarivanje elektronskim snopom) su pogodni postupci za zavarivanje tanjih preseka, mada je kvalitet koji se postiže MIG/MAG-om niži pri prenosu kratkospojenim lukom, posebno kod korenih zavara. Svi drugi postupci zahtevaju veće investicione troškove, dok je plazma postupak osetljiv na promenu parametara procesa, uz komplesni dizajn gorionika i gde se normalno zahteva vrlo visok nivo održavanja.

Da bi se povećala produktivnost TIG, poslednjih godina su razvijene druge varijante TIG postupka. TIG tehnike ‘vruća žica’, ’uski žleb’, ’velika jačina struje’ su primeri dolazećih tehnologija koje imaju za cilj povećanje brzina nanošenja, a što je inače glavna mana konvencionalnog TIG-a. Varijanta ’vruća žica’ koja prolazi kroz vučne zastore, kojima treba da se obezbedi dovoljna zaštita, može kasnije da izazove probleme. Sa druge strane, varijanta ’uski žleb’ je teška za kontrolisanje stapanja po ivici zida i obezebeđenje tačnog pozicioniranja pištolja da bi se prišlo manjem delu zazora. Varijanta ’velika jačina struja’ je način unutrašnjeg topljenja (’skriveni luk’ ili ’potopljeni luk’) i generalno se automatizuje i ima prednosti zbog udarne sile elektromagnetnog luka (više od 300 A), koja će uzrokovati značajno pomeranje zavarivačke kupke, što dovodi do većeg uvarivanja.

Ova relativno duboka zavarivačka kupka se stvara kombinovanim delovanjem provođenja toplote i konvekcijom tečnog metala, kao i ulegnućem površine kupke usled pritiska luka. U načinu unutrašnjeg topljenja (nepotpuno uvarivanje) proces može da postane težak za kontrolu, što se posebno odnosi na stepen uvarivanja. Pri jačinama struje iznad 350 A, defekti su uobičajeni (šuplji zavari), a za jačine oko 500 A zavar postaje jako nestabilan. Visok pritisak luka će uključiti šupljinu ispod luka, dok će površinski napon imati tendenciju da se opire deformaciji, tako da kupka postaje jako nestabilna.

TIG sa ključaonicom

Varijanta TIG sa ključaonicom (K-TIG) (Jarvis, 2000;CSIRO) je prvo razvijena u australijskoj industriji pred kraj 1997. godine, a vezana je za stabilnost zavara, dubinu profila zavarenog spoja i značajno povećanje produktivnosti. Ovaj postupak zavarivanja su zajednički razvijali CSIRO (Organizacija za nauku i industrijski razvoj zemalja Komonvelta) i CRC-WS (Kooperativni istraživački centar za zavarene konstrukcije), koji su uveli jedinstveno i značajno potencijalno rešenje produktivnosti za spajanje železnih, niklovih i tiatnijumskih legura (limovi i cevi) debljina 3-12 mm. K-TIG zavarivanje je automatizovani proces koji radi sa jačim strujama nego konvencionalni TIG, u cilju probijanja malog otvora na korenoj strani radnog komada, bez potrebe za podložnom šipkom. Elektromagnetna sila (Lorencova sila), koja zavisi od kvadrata jačine struje, će izazvati ulegnuće ili šupljinu na površini zavara.

Slika 21: Elektromagnetna sila će imati dve komponente, radijalno ulegnuće (R) i aksijano ubrzanje (a)

Ovo pomeranje zavarivačke kupke se mora formirati kao deo procesa zavarivanja, dopuštajući stvaranje energije za zavarivanje koja će se isporučiti u dubinu kroz tečnu zavarivačku kupku, kao rezultat kombinovanog delovanja

MIZ IIW


visokolokalizovane energije i pritiska (slika 21). Površinski napon će biti odgovoran za pokretanje otvaranja šupljine do vrlo stabilne geometrije ključaonice koja se stvara od raspuknute površine korena, da bi se omogućilo nastajanje pritiska unutar šupljine. Konačno, kao deo dinamičkog mehanizma, važno je da se otvaranje površine korena održava malim, da bi se sprečilo bilo kakvo gubljenje materijala u privremenim delovima kupke.

Usled fizičkih mehanizama koji potpomažu ravnotežu dinamičke sile ključaonice, proces K-TIG zavarivanja je pogodan za osnovne materijale relativno male toplotne provodljivosti, uglavnom nerđajuće čelike, niklove i titanove legure. Postiže se pogodna geometrija površine ključaonice zato što je šav mnogo širi na površini lica nego u korenu. Ako koreni zavar ključaonice postane suviše širok, kupka se neće odražti i proces se prekida.

Jedna od najznačajnijih prednosti K-TIG tehnologije je jednostavna priprema za zavarivanje sa pravougaonim ivicama. Dodatni materijal se može koristiti da kompenzuje podešavanje kupke, smanji prokapine, obezbedi dodatno pojačanje, ili modifikuje mikrostrukturu metala šava.

Na slici 22 je moguće videti poređenje izgleda i dubina profila zavarenih spojeva između TIG i K-TIG za nerđajući čelik AISI 304, debljine 10,5 mm.

a) Konvencionalni TIG b) TIG sa ključaonicom

- SS AISI 304 debljine 10,5 mm

- Jednostrani V ili žleb 60°

- Dodatak materijala 1000g/m

- 7 prolaza pri 200 mm/min

- Vreme rada luka 35 min/m

- 320A

- SS AISI 304 debljine 10,5 m

- Pravougaoni

- Dodatak materijala 50g/m

- 1 prolaz pri 300 mm/min

- Vreme rada luka 3 min i 20 sec/m

- 640 A Slika 22: Upoređenje profila uvarivanja konvencionalnog TIG i K TIG na nerđajućem čeliku

AISI 304 debljine 10,5 mm

ZAKLJUČCI

1. Primena Tandem postupka zavarivanja sa istim jačinama struje, kao kod konvencionalnog MAG zavarivanja, omogućava povećanje brzine zavarivanja i smanjenje razbrizgavanja kod sučeonih spojeva i T spojeva (ugaonih).

2. Primena Tandem postupka zavarivanja omogućava smanjenje troškova zavarivanja po 1m dužine spoja čak za 35% u poređenju sa konvencionalnim MAG-om.

3. Tandem zavarivanje omogućava dobre mehaničke osobine i osobine plastičnosti zavarenih spojeva nelegiranih čelika i termo-mehanički obrađenih čelika.

4. Primena Tandem postupka zavarivanja omogućava povećanje brzine za 20 do 90% u poređenju sa konvencionalnim MAG tehnikama. Ovo zavisi od tipa spoja i pre svega, od intenziteta struje zavarivanja. Takođe se smanjuje razbrizgavanje.

5. Prednosti postupka TIME su mnogo evidentniji kod većih intenziteta struje i raspršenog luka.

6. Primena TIME postupka zavarivanja omogućava smanjenje troškova po 1 m dužine spoja za 20 do 30% u poređenju sa konvencionalnim MAG.

7. Proces TIME obezbeđuje dobre mehaničke osobine i osobine plastičnosti zavarenih spojeva izrađenih od nelegiranih čelika.

MIZ IIW


8. STT i Hladni luk su varijante koje su pogodne za spojeve na tankim limovima sa uvarivanjem, tako da nije iznenađenje to što nije dostignuta visoka produktivnost, a sa druge strane je kavlitet (oblik) zavarenih spojeva vrlo dobar; STT i Hladni luk daju slične rezultate.

9. CMT varijanta omogućava veće uvarivanje nego MIG/MAG sa manjim širinama spoja, što stvara oblik šava manje osetljiv na defekte (nedostatak uvarivanja).

10. Produktivnost uz primenu STT, Hladnog luka i CMT ne raste u poređenju sa MIG/MAG, tako da se ni troškovi ne smanjuju. Veći troškovi opreme mogu podrazumevati i ukupno veće troškove.

11. Ono što je primarno važno je kvalitet spoja. Korišćenje ovih varijanti za šavove sa uvarivanjem proizvodi korene zavare sa manje defekata, uz minimalizaciju ponavljanja radova koji su inače skupi.

12. Korektnu ravnotežu velike produktivnosti / visokog kvaliteta treba da utvrde sama preduzeća i to od slučaja do slučaja. Kombinacija visokokvalitetnih korenih prolaza (STT, Hladni luk, CMT) sa visokoproduktivnim prolazima ispune (Tandem, TIME) može biti interesantno rešenje u nekim slučajevima, pre svega u metaloprerađivačkim pogonima kod kojih je zavarivanje glavna proizvodna disciplina.

13. Razvoj K-TIG tehnologije, zasnovane na konvencionalnom TIG postupku, doveo je do spojeva visokog kvaliteta. Kvalitet spoja se može posmatrati u relaciji sa osobinama visoke produktivnosti, uz relativno niže troškove investiranja u poređenju sa plazmom i laserom.

14. K-TIG je dokazan kao potencijalna tehnologija za povećanje proizvodnje uz niže troškove, ali koja nije uporediva sa standardizovanim kvalitetima, jer su oni namenjeni za tradicionalne postupke zavarivanja.

Zahvalnost autora

Autori se zahvaljuju POCI 2010 / FCT / Portugal za finansijsku pomoć.

LITERATURA

[1] CSIRO Manufacturing and Infrastructure Technology and CO-operative Research Centre for Welded structures, „High Current Keyhole and Melt-in Mode Gas Tungsten Arc Welding“ Australia

[2] B. Deruntz, Assesing the Benefits of Surface Tension Transfer Welding to Industry, Journal of Industrial Technology, Vol. 19, No 4, August 2003 [3] Fronius, CMT: Cold Metal Transfer, Brochure, 2004 [4] IIW; Statement on Manganese, International Institute of Welding, 2005 [5] International Organization of Standardization. EN ISO 15011-1: Health and safety in welding and allied processes- Laboratory method for

sampling fume and gases generated by arc welding- Part 1: Determination of emission rates of gases, 2003. [6] L. Jarvis, K. Barton „Keyhole GTAW User Guide“ CSIRO Manufacturing and Infrastructure Technology, Australia 2000

PANON VAGON d.o.o Majšanski put br. 51

24000 Subotica, Srbija Tel: +381 24 577 530 Fax: +381 24 577 525

E-mail: [email protected]

"PANON VAGON " d.o.o, osnovan 2004 godine, pruža kvalitetne usluge obezbeđenja proizvodnje, rekonstrukcije, remonta / popravke železničkih teretnih kola i prodaje rezervnih

delova za teretna kola.

Documents

Inovacije u MIG_MAG i TIG Postupku Zavarivanja