REDUKCJA ROZPRYSKU ORAZ OBNIŻANIE CIEPŁA WPROWADZONEGO W SPAWANIU ŁUKIEM KRÓTKIM

Transkrypt

1 REDUKCJA ROZPRYSKU ORAZ OBNIŻANIE CIEPŁA WPROWADZONEGO W SPAWANIU ŁUKIEM KRÓTKIM Jesper L. Skovfo, Inżynier Systemów Sterowania, Migatronic A/S, jls@migatronic.dk WPROWADZENIE W opinii doświadczonych spawaczy, spawanie warstw graniowych niesie ze sobą szereg problemów. Należy do nich niejednorodny rozmiar kropel, skutkujący występowaniem zróżnicowanych wartości ciepła wprowadzonego oraz rozprysku. Inne problemy dotyczą dużej wrażliwości na zmiany w zakresie takich warunków spawania, jak wolny wylot elektrody, pozycja spawania i długość szczeliny, oraz przepalenie z powodu doprowadzenia zbyt dużego ciepła. Istnieje potrzeba opracowania strategii sterowania nakierowanej na minimalizację wymienionych powyżej problemów w metodzie spawania łukowego elektrodą topliwą w osłonie gazowej (GMAW). Skoro nadmierna ilość ciepła powoduje trudności głównie w przypadku spawania materiałów o małej grubości, strategia sterowania została opracowana i zoptymalizowana dla metody spawania łukiem zwarciowym. Ta strategia sterowania nosi nazwę Inteligentnego Systemu Sterowania Łukiem (IAC). INTELIGENTNY SYSTEM STEROWANIA ŁUKIEM Ciepło wprowadzone Topienie się drutu jest głównie skutkiem dostarczenia energii z dwóch źródeł; energii dostarczonej w trakcie zwarcia w formie grzania oporowego, oraz ciepła doprowadzonego przez łuk. W trakcie zwarcia, prawie cała energia włożona w proces zostaje spożytkowana na stopienie drutu, jednak w trakcie trwania łuku ciepło przez niego generowane promieniuje zarówno do drutu, jak i do materiału spawanego. Dlatego pożądane jest doprowadzenie możliwie największej ilości energii do miejsca spawania w trakcie zwarcia. Rozprysk Rozprysk to rozmaitej wielkości krople metalu, które osadzają się na materiałach spawanych poza jeziorkiem spawalniczym. Jest on jest wynikiem dwóch procesów transferu ciekłej kropli. Pierwszym źródłem rozprysku są krople powstające w wyniku efektu odpychania podmuchu łuku elektrycznego od ciekłego jeziorka, przez co generowany jest rozprysk o wymiarze kropli zbliżonym do kropli transportowanej do jeziorka spawalniczego. Drugie źródło rozprysku jest wynikiem swobodnego zapłonu łuku. Zapłon swobodny to zjawisko, gdy stan zwarcia jest przerwany i łuk zajarzy się powtórnie. Ilość rozprysku jest proporcjonalna do natężenia prądu płynącego w obwodzie spawalniczym w chwili zapłonu łuku. Rozwiązanie Przy zastosowaniu IAC, zmniejszenie ilości ciepła wprowadzonego osiąga się dzięki wyższemu natężeniu prądu w trakcie zwarcia, w porównaniu z jego wartością w tradycyjnej metodzie MIG. Jednakże zastosowanie większego natężenia prądu bez wprowadzenia innych środków ostrożności skutkowałoby powstawaniem większej ilości

2 rozprysku, ponieważ do przerwania zwarcia doszłoby przy wyższym natężeniu. Dlatego IAC opiera się na bardzo precyzyjnym przewidywaniu momentu wystąpienia przerwania zwarcia, co pozwala na obniżenie natężenia prądu w trakcie przerwania zwarcia do poziomu znacznie niższego niż w przypadku tradycyjnej metody MIG. Rys. 1: Obraz natężenia prądu, A to faza łuku, a B to faza zwarcia. Linia przerywana przedstawia przebieg tradycyjnego spawania MIG, a ciągła spawania z użyciem IAC. Różnica pomiędzy spawaniem tradycyjną metodą MIG, a metodą IAC zilustrowana jest na Rys. 1. W metodzie tradycyjnej, ukazanej linią przerywaną, natężenie wzrasta podczas zwarcia aż do momentu przerwania, po czym obniża się do momentu wystąpienia zwarcia. Przy zastosowaniu IAC, ukazanej linią ciągłą, natężenie w czasie zwarcia wzrasta do poziomu wyższego, co skutkuje dostarczeniem w tej fazie większej ilości energii. W celu uniknięcia powstawania rozprysku, natężenie obniżane jest do odpowiedniego poziomu, dość niskiego by zapobiec rozpryskowi, ale na tyle wysokiego, aby nie przerwać procesu. Natężenie pozostaje na niskim poziomie do momentu przerwania zwarcia, a potem nieco wzrasta w celu podtrzymania stabilnego łuku. Rys. 2: Zdjęcie typowego przerwania zwarcia w tradycyjnej metodzie MIG, podczas spawania drutem o śr. 1 mm przy natężeniu 80 Amp. Po lewej: przed samym przerwaniem. Po prawej: Zaraz po przerwaniu. Na Rys. 2 ukazany jest stan przed samym przerwaniem oraz zaraz po nim, podczas spawania tradycyjną metodą MIG. Natężenie w fazie swobodnego zapłonu wynosi ok. 150

3 A, co skutkuje wyrzutem rozprysku z łuku. Oględziny materiału spawanego na zdjęciu po prawej na Rys. 2 pozwalają stwierdzić, iż do materiału przytopione zostają mikrorozpryski. Rys. 3 zawiera zdjęcia ukazujące proces IAC na krótko przed i zaraz po przerwaniu zwarcia, przy wartości natężenia podczas swobodnego zapłonu wynoszącej ok. 50 A. W porównaniu do Rys. 2, obserwujemy stabilny łuk po fazie swobodnego zapłonu oraz brak widocznego rozprysku z łuku. Rys. 3: Zdjęcie typowego przerwania zwarcia w procesie IAC, podczas spawania drutem o śr. 1 mm przy natężeniu 80 Amp. Po lewej: przed samym przerwaniem. Po prawej: Zaraz po przerwaniu. Podczas sterowania tradycyjnym procesem MIG, decyzja o tym, czy ma dojść do zwarcia drutu czy nie, podejmowana jest wyłącznie na podstawie mierzonego napięcia. W trakcie zwarcia napięcie jest niskie z powodu niskiej rezystancji obwodu, a w trakcie pracy łuku napięcie jest wysokie. W procesie IAC jest to z dwóch powodów niewystarczające: Napięcie mierzone jest wewnątrz spawarki i dlatego nie jest reprezentatywne dla napięcia łuku. Poza spadkiem napięcia w łuku, na napięcie mierzone składają się również spadki napięcia w przewodach spowodowane rezystancją i indukcyjnością. W celu obniżenia natężenia przed nastąpieniem swobodnego zapłonu istnieje konieczność przewidzenia przebiegu procesu, a nie tylko analizy pomiaru napięcia w celu stwierdzenia tego, co już miało miejsce. Faza swobodnego zapłonu przewidywana jest dzięki nieustannemu obliczaniu średnicy drutu ponad kroplą. Elektryczny opis układu z zapalonym łukiem jest następujący: U S = LW I& + RW I + Re I + U TH A w trakcie zwarcia: U = L I& + R I + R I S W W e gdzie U S to napięcie dostarczone przez spawarkę, I to natężenie prądu, LW to indukcyjność przewodów spawalniczych, R W to rezystancja przewodów spawalniczych, Reto rezystancja elektrody, a U to spadek napięcia w łuku. TH Jeśli znane są natężenie, napięcie i rezystancja, to istnieje możliwość ustalenia spadku napięcia łuku bez konieczności używania drogiego i delikatnego sprzętu pomiarowego. Co więcej, z następującej funkcji nieliniowej wyprowadzić można średnicę drutu ponad kroplą: d tråd ( x) = f ( U, I, x)

4 gdzie x to wektor opisujący stany układu. Ponieważ wartości parametrów ulegają zmianie w czasie, szacowanie parametrów L W, RW i U TH odbywa się w sposób powtarzalny na podstawie pomiarów natężenia i napięcia. WYNIKI Na Rys. 4 ukazane są wyniki pomiarów natężenia i napięcia z trzech cykli w tradycyjnym procesie sterowania spawaniem MIG. Rys. 5 ukazuje trzy fazy przy zastosowaniu sterowania IAC, przy dokładnie tych samych ustawieniach, jak w metodzie tradycyjnej. Porównanie ich stanowi dowód, że przy użyciu IAC poziom natężenia w trakcie zwarcia wzrasta od ok. 150 A do mniej więcej 250 A, co pozwala na doprowadzenie większej ilości energii w tej fazie, dzięki czemu ilość energii dostarczona w fazie łuku jest mniejsza. Rys. 4: Pomiar natężenia i napięcia podczas spawania tradycyjną metodą MIG, przy prędkości drutu nastawionej na 3,5 m/min i prędkości spawania 0,25 m/min. Rys. 5: Pomiar natężenia i napięcia podczas spawania metodą IAC, przy prędkości drutu nastawionej na 3,5 m/min i prędkości spawania 0,25 m/min.

5 Ciepło wprowadzone wyliczamy z równania: U I H = v gdzie H to ciepło wprowadzone w J/mm, U to napięcie łuku, I to natężenie, a v to prędkość spawania w m/s. Poniżej podane jest ciepło wprowadzone dla różnych prędkości spawania, zarówno dla spawania metodą IAC, jak i MIG. We wszystkich testach wykonano zgrzewanie liniowe, przy czym uchwyt spawalniczy został umieszczony w urządzeniu automatycznym w celu zachowania jednostajnej prędkości spawania. Tabela 1 przedstawia wyniki pracy przy prędkości spawania 0,25 m/min, a Tabela 2 wyniki uzyskane przy prędkości 0,5 m/min. Obliczone ciepło wprowadzone dla różnych prędkości podawania drutu wykreślone jest również na Rys. 6. Pr. podaw. Wym. materiału Nat. w fazie swobodnego zapłonu [A] Cieplo wprowadzone [J/mm] drutu [m/min] [mm] Tradyc. IAC Poprawa Tradyc. IAC Poprawa 1,5 0,9 61,2 40,8 33,3% 86,5 64,3 25,7% 2,5 0,9 113,6 34,0 70,1% 159,1 120,7 24,1% 3,5 1,5 120,6 33,5 72,2% 229,2 159,4 30,5% 4,7 1,5 140,4 40,3 71,3% 306,9 288,1 6,1% Tabela 1: Porównanie pomiędzy tradycyjną metodą MIG a procesem IAC dla różnych prędkości podawania drutu. Prędkość spawania wynosi 0,25 m/min. Pr. podaw. Wym. materialu Nat. w fazie sw obodnego zaplonu [A] Cieplo wprowadzone [J/mm] drutu [m/min] [mm] Tradyc. IAC Proprawa Tradyc. IAC Proprawa 2,5 0,9 110,3 37,6 65,9% 80,3 64,3 19,9% 3,5 1,5 112,0 43,9 60,8% 112,5 91,8 18,4% 4,7 1,5 130,1 42,6 67,3% 154,8 132,6 14,3% Tabela 2: Porównanie pomiędzy tradycyjną metodą MIG a procesem IAC dla różnych prędkości podawania drutu. Prędkość spawania wynosi 0,50 m/min. Z obydwu tabel oraz wykresów na Rys. 6 jasno wynika, że ciepło wprowadzone jest niższe w IAC niż w spawaniu tradycyjną metodą MIG. Wydaje się, że poprawa w zakresie ciepła wprowadzonego jest względnie stała, wynosząca ok. 20 J/mm, co stanowi względnie dużą poprawę sięgającą 15-30% dla niskich prędkości podawania drutu. Do przerwania zwarcia dochodzi, gdy napięcie zmienia się z niskiego na wysokie. Przyglądając się takim przerwaniom na Rys. 4 i Rys. 5 można dostrzec, że natężenie jest w tym momencie znacznie niższe, gdy korzystamy z IAC. Z Tabeli 1, Tabeli 2 oraz Rys. 7 wynika, że poprawa w zakresie natężenia w fazie swobodnego zapłonu jest wyraźna. W procesie IAC, natężenie w fazie swobodnego zapłonu utrzymywane jest na stałym poziomie ok. 40 A. Tymczasem natężenie w tej fazie w tradycyjnym procesie sterowania spawaniem wykazuje tendencję do liniowego wzrostu wraz z prędkością podawania drutu. Tak niskie natężenie w fazie swobodnego zapłonu niemalże całkowicie eliminuje rozprysk.

6 Rys. 5: Ciepło wprowadzone w procesie IAC oraz tradycyjnym MIG. Dane podane dla dwóch różnych prędkości spawania. Rys. 6: Średnie natężenie prądu w fazie swobodnego zapłonu w procesach IAC oraz tradycyjnym MIG. Natężenie prądu ukazane jest dla dwóch różnych prędkości spawania. Wysoka jakość spawania Stworzona w wysokiej technologii spawarka Migatronic Sigma Galaxy z funkcją IAC (Inteligentne Sterowanie Łukiem) spełnia wymagania zawodowych spawaczy: wysoka jakość, mniejsza liczba godzin roboczych oraz mocne spoiny. Z tym urządzeniem każdy spawacz z łatwością wykona spawy o wysokiej jakości.

7 Funkcja IAC (Inteligentne Sterowanie Łukiem) idealnie nadaje się do spawania blach ze stali o dużej wytrzymałości na rozciąganie, które są typowym materiałem stosowanym w przemyśle motoryzacyjnym. Również przemysł meblarski, spożywczy, medyczny i inne stawiają wysokie wymagania w zakresie jakości spawania, za bardzo ważny uznając brak rozprysku na materiale spawanym. Zasilacz Sigma Galaxy zaprojektowany jest do integrowania z robotami, a interfejs spełnia wymagania spawaczy dotyczące możliwości szybkiej wymiany panelu sterowania oraz dostępu szeregu paneli opcjonalnych.