S. 10 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 1 120 %. Przypuszcza się, że różnice w wytrzymałości zmęczeniowej pomiędzy drutami ze stali TRIP i D45 mogą być związane z różnym typem, jak i ewolucją ich struktury w procesie ciągnienia. Struktura typu TRIP wydaje się być mniej podatna na pękanie przy zmiennych naprężeniach zginających. 3. Wnioski Mimo bardzo małej zawartości węgla (C = 0,09 %) struktura stali typu TRIP pozwala na otrzymanie drutów o własnościach wytrzymałościowych zbliżonych do drutów ze stali średniowęglowej gatunku D45. Druty z niskowęglowej stali TRIP odznaczają się lepszymi własnościami plastycznymi niż druty ze stali węglowej gatunku D45, szczególnie w zakresie występowania przemiany fazowej austenitu szczątkowego w martenzyt efekt TRIP (G c = 0 50 %). Stwierdzono, że przy zbliżonych własnościach wytrzymałościowych druty ze stali TRIP odznaczają się zdecydowanie (bo aż o około 120 %) lepszą wytrzymałością zmęczeniową niż druty ze stali D45. Znacznie lepsza wytrzymałość zmęczeniowa, będąca ważnym czynnikiem określającym walory eksploatacyjne wyrobów z drutów, przy nieznacznie, bo o około 4 %, niższej wytrzymałości na rozciąganie może decydować o obszarach zastosowania drutów ze stali TRIP jako zamiennika drutów ze stali średniowęglowych. L i t e r a t u r a 1. Pilarczyk J. W., Muskalski Z., Golis B., Wiewiórowska S., Suliga M.: Influence of heat treatment of TRIP steel wire rod on structure and mechanical properties. Conference Proceedings Global Technologies for Emerging Markets, New Delhi, India, October 2006, s. 171-182 2. Suliga M., Muskalski Z., Pilarczyk J. W., Wiewiórowska S., Bajor T.: Porównanie własności mechaniczno-technologicznych i trwałości zmęczeniowej drutów o strukturze typu TRIP z drutami o strukturze ferryt-perlit. Materiały konferencyjne II Międzynarodowej Konferencji Ciągarskiej, Nowoczesne technologie oraz modelowanie procesów ciągnienia i wytwarzania wyrobów metalowych, Zakopane, marzec 2007 r. 3. Sygut P., Suliga M., Muskalski Z.: Analiza możliwości uzyskania struktury TRIP przy chłodzeniu walcówki na linii Stelmor. VIII Międzynarodowa Konferencja Naukowa Nowe technologie i osiągnięcia w metalurgii i inżynierii materiałowej Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2007, s. 632-635 4. Suliga M., Muskalski Z.: Wpływ gniotu pojedynczego na własności mechaniczno-technologiczne drutów ze stali TRIP. Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2007, nr 7 5. Suliga M., Muskalski Z.: Ocena struktury i efektu TRIP w procesie ciągnienia drutów ze stali 0,09C-1,57Mn-0,9Si. Rudy i Metale Nieżelazne, 2007, nr 11, s. 850 6. Suliga M.: Analiza teoretyczno-doświadczalna procesu ciągnienia drutów ze stali TRIP. Politechnika częstochowska, Częstochowa 2007 (praca doktorska) Dr inż. JOLANTA MATUSIAK UKD 669.058.621.791.8:669.14.018.295:669-415 Dr inż. BOGUSŁAW CZWÓRNÓG Instytut Spawalnictwa ul. Bł. Czesława 16/18, 44-100 Gliwice, e-mail: Jolanta.Matusiak@is.gliwice.pl e-mail: Boguslaw.Czwornog@is.gliwice.pl Niskoenergetyczne procesy spawania łukowego w osłonie gazów do łączenia cienkich blach stalowych The low-energetic gas shielded metal arc welding processes for joining the steel sheets W artykule przedstawiono nowe niskoenergetyczne warianty spawania łukowego w osłonie gazów, które znajdują zastosowanie w łączeniu cienkich blach stalowych z powłokami lub bez powłok ochronnych. Opisane innowacyjne procesy CMT (Cold Metal Transfer), ColdArc, STT (Surface Tension Transfer) i CBT (Controlled Bridge Transfer) stosowane są w produkcji nowoczesnych urządzeń przemysłowych i wyrobów powszechnego użytku, gdzie ważne jest znaczenie takich czynników, jak estetyka, masa własna i łatwość wytwarzania. Nowe metody spawania MIG/MAG mają ważną wspólną cechę: umożliwiają zdecydowaną poprawę jakości spawania materiałów o małej grubości w porównaniu z konwencjonalnym spawaniem łukiem zwarciowym, pozwalają znacząco zmniejszyć ilość ciepła wprowadzanego do materiału, a precyzyjna kontrola łuku i przenoszenia metalu w dużym stopniu zmniejsza ilość rozprysków.
2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 11 The paper presents new low-energetic variants of gas shielded metal-arc welding, which are applied for joining the steel sheets with/ without coats. The innovative processes: Cold Metal Transfer, ColdArc, Surface Tension Transfer and Controlled Bridge Transfer are used in manufacturing of industrial appliances and commonly used products, when the weight, aesthetics and easiness of production are important. These new methods have certain important features: enable emphatic improving of the quality of welding of thin metal sheets comparing to standard dip-transfer arc, substantially reduce the heat input to the welded metal, and to decrease the amount of spatter by the precise control of arc and metal transfer. Słowa kluczowe: spawanie łukowe w osłonie gazów, cienkie blachy stalowe, stale o wysokiej wytrzymałości, blachy z powłokami Key words: gas shielded metal-arc welding, steel sheets, Advanced High Strength Steels, coated sheets 1. Wprowadzenie. Spawanie metodą MIG/ MAG (spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazowej, metoda MIG Metal Inert Gas, metoda MAG Metal Active Gas) stanowi od wielu lat proces dominujący pod względem zakresu stosowania wśród wszystkich procesów spawania łukowego [1]. Do jego najważniejszych zalet należą: wysoka wydajność spawania, operatywność, możliwość dokładnej obserwacji jeziorka spawalniczego i łuku, możliwości łączenia szerokiego asortymentu materiałów, dobre własności mechaniczne połączeń, a także łatwość mechanizacji i robotyzacji [2]. Za pomocą spawania metodą MIG/MAG można łączyć niemal wszystkie metale mające znaczenie w technice. Metoda ta jest stosowana do łączenia stali konstrukcyjnych niestopowych, niskostopowych i wysokostopowych, aluminium, magnezu, niklu i miedzi, a także większości stopów tych metali, i pozwala na ich łączenie w szerokim zakresie grubości. Typowy zakres spawania stali metodą MIG/MAG obejmuje blachy o grubości od ok. 0,8 mm. W niektórych dziedzinach przemysłu występuje duże zapotrzebowanie na wykonywanie wysokojakościowych połączeń blach stalowych o małej grubości, bez powłok i powlekanych, a także łączenia materiałów różnoimiennych. W większości przypadków spawanie cienkich blach stalowych wiąże się z przemysłem motoryzacyjnym, ale istnieją oczywiście i inne obszary stosowania tych materiałów. Tradycyjne spawanie MIG/MAG blach o grubości poniżej 3 mm nie dawało dotychczas satysfakcjonujących wyników z dwóch powodów: wprowadzało do łączonych elementów zbyt dużą ilość ciepła i było źródłem licznych rozprysków, psujących estetykę wyrobów i wymagających pracochłonnej obróbki elementów po spawaniu, jak i pogarszających warunki pracy. W wyniku badań i prac rozwojowych prowadzonych przez czołowych producentów urządzeń spawalniczych pojawiły się w ostatnich latach nowe warianty spawania MIG/MAG, takie jak CMT (Cold Metal Transfer), ColdArc, STT (Surface Tension Transfer) i CBT (Controlled Bridge Transfer) [3, 4]. Metody te opracowano specjalnie dla rozwiązania problemów występujących przy łączeniu materiałów o małej grubości. Wspólną cechą nowych procesów jest zmniejszenie całkowitej energii wprowadzanej podczas spawania, zmniejszenie ilości rozprysków oraz poprawa warunków pracy poprzez ograniczenie emisji zanieczyszczeń. Duży udział procesów łączenia cienkich blach w produkcji spawalniczej przyczynia się do wzrostu zainteresowania tematyką bezpieczeństwa pracy przy prowadzeniu takiej produkcji. 2. Materiały stosowane w postaci blach o małej grubości. W produkcji nowoczesnych urządzeń przemysłowych i wyrobów powszechnego użytku rośnie znaczenie takich czynników, jak estetyka, masa własna i łatwość wytwarzania. Wszystkie te cechy wyrobów można rozpatrywać m.in. z punktu widzenia procesów łączenia, które muszą być zastosowane w różnych momentach procesu wytwórczego. Na przykładzie samochodów osobowych można wskazać tendencje rozwoju materiałów, jak i wynikające z postępu w tej dziedzinie wyzwania stające przed spawalnictwem. Dążenie do zmniejszenia masy pojazdów jest uzasadnione potrzebą zmniejszenia zużycia paliwa oraz poprawy osiągów, a nastąpić ono może w rezultacie wykorzystania blach o małej grubości, które posiadają jednak wyższą wytrzymałość dzięki odpowiedniemu składowi chemicznemu i obróbce cieplnej na etapie produkcji hutniczej. Estetyka samochodów zależy m.in. od wyglądu połączeń spawanych i zgrzewanych, a w dalszym czasie od odporności na korozję. Powstają w związku z tym potrzeby stosowania blach powlekanych, najczęściej ocynkowanych, jak również materiałów odpornych na korozję: stopów aluminium i stali nierdzewnych (w krytycznych miejscach konstrukcji), i wiążąca się z tym konieczność wykonywania, także niejednorodnych, połączeń tych trudnych pod względem spawalniczym materiałów. Na efektywność produkcyjnych procesów spawania i zgrzewania silnie wpływają uboczne skutki stosowanych metod: odkształcenia nagrzewanych elementów oraz rozprysk zanieczyszczający przyległe powierzchnie poprzez przywieranie kropli. Usuwanie tych skutków jest pracochłonne, podobnie jak zapobieganie powodującym je zjawiskom, wpływa więc na wydajność oraz komplikuje oprzyrządowanie i procesy technologiczne. Z tego powodu nowe warianty spawania MIG/MAG, które dają szansę zminimalizowania wymienionych powyżej trudności, były bardzo intensywnie poszukiwane i spotykają się obecnie z dużym zainteresowaniem w przemyśle. Warianty te odpowiadają w dużym stopniu na potrzeby występujące przy szerokim zakresie materiałów stosowanych na nowoczesne konstrukcje i wyroby. Do materiałów stosowanych w postaci blach o małej grubości, których użytkowanie ciągle się rozszerza, a przetwarzanie z wykorzystaniem spawania MIG/MAG stwarzało dotychczas szereg trudności, należą: stale niestopowe i niskostopowe w postaci blach o grubości poniżej 2,0 mm, blachy cienkie z nowoczesnych stali wielofazowych o wysokiej wytrzymałości (ang. Advanced
S. 12 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 1 High Strength Steels AHSS); do typowych gatunków tych stali należą stale ferrytyczno-martenzytyczne DP (ang. Dual Phase), stale typu TRIP (ang. Transformation Induced Plasticity), stale o złożonej strukturze CP (ang. Complex Phase), stale martenzytyczne oraz stale typu TWPI (ang. Twinning Induced Plasticity) [5, 6], blachy z powłokami metalicznymi: Zn, AlSi, AlZn, ZnAlMg, blachy z powłokami z tworzyw sztucznych organicznych: poliestrowych (o różnej grubości: 15 i 25 µm), Granocoat ZE, Gardoprotect 9493, Easyfilm E, blach cienkie ze stali nierdzewnych (poniżej 1,5 mm). Trudności występujące przy spawaniu MIG/ MAG materiałów z ww. grup mają charakter dwojaki, chociaż w każdym przypadku powiązany z wprowadzeniem ciepła podczas spawania: I. niekorzystny wpływ na geometrię elementów, wyrażający się w odkształceniach elementów, II. niekorzystny wpływ na własności materiału oraz stan powierzchni (szczególnie w przypadku materiałów z powłokami). Odkształcenia spawalnicze mają charakter powszechny, dotyczą wszystkich materiałów poddawanych spawaniu, a zmniejszać je można najłatwiej poprzez zmniejszenie energii cieplnej wprowadzanej podczas spawania. Trudności powodowane przez spawanie w przypadku materiałów z powłokami z metali lub tworzyw polegają na zerwaniu ciągłości powłoki: zniszczeniu przez stopienie, odparowanie lub wypalenie, albo odsunięciu w miejscu spawania. Także i w tym przypadku szkody są mniejsze, jeśli mniejsza jest ilość ciepła wprowadzona podczas spawania. Inny rodzaj niekorzystnego skutku spawania stanowią przemiany struktury spowodowane nagrzewaniem strefy wpływu ciepła: często zachodzi zmniejszenie wytrzymałości wskutek utraty korzystnej struktury wyjściowej. Przy tradycyjnym procesie trudny był też do opanowania problem odprysków cząstek metalu przywierających do powierzchni blach w pobliżu spoiny. Ograniczenie ich ilości lub całkowite wyeliminowanie zmniejszyłoby koszt produkcji oraz poprawiło estetykę wyrobów. O natężeniu niekorzystnych skutków związanych ze spawaniem decyduje ilość wprowadzanego ciepła, dlatego nowe procesy, skoncentrowane na zmniejszeniu nagrzewania materiału, stanowią istotny postęp w możliwościach wytwórczych. Materiały, dla których procesy te zostały opracowane, mają wspólną cechę: ich spawanie daje tym lepsze wyniki, im mniejsza ilość wprowadzanego ciepła mu towarzyszy. 3. Spawanie blach stalowych o małej grubości. W konwencjonalnym spawaniu występują charakterystyczne zjawiska przenoszenia przez łuk stopionego materiału drutu elektrodowego z końca drutu do jeziorka spawalniczego. Sposoby przenoszenia (transferu) metalu mają wpływ na parametry procesu i charakterystyki spoin. Metal drutu elektrodowego przy spawaniu metodą MAG/MIG może być przenoszony do jeziorka trzema sposobami: poprzez przepływ zwarciowy, grubokroplowy lub natryskowy [1, 2]. Główne czynniki wpływające na rodzaj przenoszenia to natężenie prądu i napięcie łuku (istotny jest też rodzaj gazu osłonowego); ich zwiększanie od wartości minimalnych powoduje kolejne zmiany sposobu przenoszenia metalu, co stwierdza się we wszystkich procesach spawania łukowego elektrodą topliwą z zasilaniem łuku źródłami prądu stałego i przemiennego [7, 8]. Obecnie, przy elektronicznie sterowanych źródłach energii, istnieją szerokie możliwości kształtowania sposobów przenoszenia metalu. Możliwości te są najszerzej wykorzystywane w konstrukcji urządzeń do spawania MIG/MAG, gdyż wpływają na stabilność łuku, wygląd i jakość spoin. Problematyka klasyfikacji sposobów przenoszenia metalu w łuku MIG/MAG, budząca szerokie zainteresowanie badaczy i specjalistów co najmniej od 30 lat, stała się szczególnie intensywnie badanym przedmiotem w ostatnich 5 latach. Postęp w budowie urządzeń spawalniczych wpłynął na powstanie nowych możliwości sterowania łukiem, energią i transferem metalu w zakresie najmniejszych natężeń prądu. W procesach spawania blach o małej grubości, dla których konieczne jest ograniczenie energii cieplnej, z całego zakresu tradycyjnego spawania MIG/MAG stosowany był wyłącznie zakres tzw. przepływu zwarciowego. W konwencjonalnym spawaniu łukiem zwarciowym drut elektrodowy jest podawany w sposób ciągły w kierunku jeziorka, aż dochodzi do powstania zwarcia. W tym momencie łuk gaśnie, a następuje skokowy wzrost natężenia prądu przy małej oporności styku. Rozgrzanie przez duży prąd zwarcia przewężenia ciekłego metalu pomiędzy końcem drutu elektrodowego a jeziorkiem spawalniczym sprzyja nagłemu rozerwaniu przewężenia, któremu towarzyszy rozprysk ciekłego metalu i wkrótce ponowne zajarzenie łuku. Pozostała kropla metalu na powierzchni jeziorka jest do niego wciągana siłami napięcia powierzchniowego i cykl może zacząć się od nowa. Optymalizacja tego procesu jest trudna, bowiem związany on jest z wieloma zmiennymi. Przyjmuje się, że najkorzystniejsze są warunki, kiedy przy danej średnicy drutu i składzie gazu osłonowego, poprzez dobór odpowiedniego napięcia łuku, prędkości podawania drutu, wylotu drutu i indukcyjności obwodu spawania uzyskuje się największą częstotliwość zwarć. Konwencjonalny łuk zwarciowy może być jednak stosowany tylko w granicach określonych przez konieczność stabilnego powtarzania kolejnych cykli procesu, a zatem powyżej minimalnych parametrów ponownego zajarzania łuku po zwarciu. Oczekiwane przez użytkowników przesunięcie dolnej granicy procesu w kierunku jeszcze niższych parametrów wymaga bardziej precyzyjnego sterowania parametrami łuku i przenoszeniem metalu, co jest wspólne dla wszystkich nowych wariantów spawania MIG/MAG, do których należą procesy nazwane CMT, ColdArc, STT i CBT. 4. Proces CMT Cold Metal Transfer. Proces Cold Metal Transfer to proces spawania łukiem zwarciowym z całkowicie nowym sposobem od-
2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 13 dzielania stopionego metalu od końca drutu elektrodowego. Drut elektrodowy jest nie tylko podawany w kierunku jeziorka, ale również okresowo cofany, z częstotliwością rzędu 70 Hz. CMT jako nowy wariant spawania MIG/MAG został opracowany i jest wprowadzany do spawalnictwa przez firmę Fronius. Spawanie CMT różnią od konwencjonalnej metody MIG/MAG następujące główne cechy: Posuw drutu jest wykorzystany do sterowania procesem. Drut jest podawany do przodu aż do momentu zaistnienia zwarcia, w tym momencie kierunek posuwu ulega odwróceniu i następuje cofanie drutu. Kiedy zwarcie zostanie przerwane, posuw drutu jest ponownie odwracany i drut podawany jest znów w stronę elementu. Program ruchów drutu nie jest ustalony wcześniej, a sterują nim momenty powstania i zakończenia (otwarcia) zwarcia, stanowiące sygnały do podjęcia odpowiednich funkcji przez cyfrowy układ sterowania. W ten sposób istnieje sprzężenie pomiędzy sytuacją w jeziorku spawalniczym a posuwem drutu. Z tego też powodu częstotliwość oscylacji drutu (do przodu do tyłu) jest podawana tylko w przybliżeniu; decydują o niej zjawiska na granicy drut jeziorko (zwarcie brak zwarcia), a średnia wartość wynosi ok. 70 zmian/min. Przepływ metalu z końca drutu do jeziorka odbywa się niemal bez przepływu prądu (przy łuku zwarciowym MIG/MAG przeciwnie, występuje w tym momencie prąd największy, tzw. prąd zwarcia). Przerwanie zwarcia odbywa się tu bez udziału przepływu prądu. Wsteczny przesuw drutu wspomaga przejście kropli metalu do jeziorka w wyniku sił napięcia powierzchniowego i, w większości przypadków, siły ciężkości. W ten sposób natężenie prądu zwarcia może być bardzo niskie i energia cieplna wprowadzana jest też bardzo mała [9]. Pełny system urządzeń do spawania CMT obejmuje: źródło energii, podajnik drutu, uchwyt z mechanizmem dodatkowego posuwu, układ sterowania zdalnego, chłodnicę oraz interfejs do współpracy z robotem lub systemem zmechanizowanym [10]. Od standardowego, nowoczesnego systemu do spawania MIG/MAG system CMT odróżnia przede wszystkim uchwyt, w którym zawarty jest układ napędu ruchu powrotnego drutu, sterowany cyfrowo, z przełożeniem bezstopniowym i dynamicznym napędem prądu przemiennego [10, 11]. W porównaniu ze spawaniem konwencjonalnym spawanie CMT wykazuje szereg istotnych zalet. Najważniejszą z nich jest zminimalizowanie natężenia prądu podczas zwarcia, sterowane elektronicznie, a powodujące przekazywanie do elementu tylko bardzo małej ilości ciepła. Przerwanie zwarcia nie odbywa się w sposób niekontrolowany, ale następuje w momencie regulowanym wstecznym ruchem drutu. Obydwa te czynniki decydują o tym, iż spawanie przebiega praktycznie bez rozprysków, co odnosi się w pełni do sytuacji spawania w najczęściej występujących pozycjach: podolnej, naściennej, nabocznej. Istotne znaczenie ma precyzyjne sterowanie długością łuku. Przy spawaniu MIG/MAG napięcie łuku jest mierzone w celu ustalenia długości łuku, wynik Rys. 1. Zakres parametrów spawania CMT na tle całego zakresu spawania MIG/MAG [9] łuk zwarciowy łuk pulsujący łuk natryskowy łuk rotacyjny Fig. 1. The range of parameters of CMT process and the background of full range of MIG/MAG welding process [9] The legend: CMT arc Dip-transfer arc Pulsed arc Spray arc Rotating arc Rys. 2. Jarzenie łuku, kierunki przesuwu drutu oraz przepływ metalu przy spawaniu CMT [11] Fig. 2. Arc burning, wire passing directions and metal transfer in CMT welding process [11] Rys. 3. Urządzenie do spawania CMT na stanowisku badawczym w Instytucie Spawalnictwa [15] Fig. 3. Testing of CMT welding equipment at Instytut Spawalnictwa [15]
S. 14 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 1 może być jednak zakłócony przez zanieczyszczenia powierzchni, a długość łuku odbiega od optymalnej. W procesie CMT drut jest podawany w kierunku elementu aż do chwili zwarcia (wtedy długość łuku wynosi 0), a następnie podlega cofaniu z określoną prędkością przez ustalony elektronicznie odcinek czasu. Iloczyn tego czasu i prędkości ruchu wstecznego daje stałą długość łuku, która nie zależy od wylotu elektrody czy prędkości spawania, pozostając czynnikiem stabilności procesu. Spawanie CMT ma naturalny obszar zastosowania w całym zakresie materiałów, grubości i parametrów, których dotyczyło dotychczas spawanie łukiem zwarciowym. Zakres ten, w wyniku specyficznych zalet tego procesu, uległ istotnemu rozszerzeniu w kierunku mniejszych grubości elementów, spawania dotychczas niewykonalnych połączeń różnoimiennych oraz niespotykanych dotąd konstrukcji złączy. Proces CMT umożliwia doczołowe łączenie blach stalowych o grubości od 0,3 mm. Można wskazać następujące główne obszary zastosowania: spawanie cienkich blach ze stali zwykłych i wysokostopowych, lutospawanie metodą MIG, bez rozprysków i przy niezwykle dużych tolerancjach dopasowania, spawanie blach aluminiowych ze stalowymi. 5. Proces ColdArc. Kolejnym wariantem spawania MIG/MAG, który oparty jest na ingerencji w przebieg natężenia prądu i napięcia łuku przy spawaniu łukiem zwarciowym, jest proces ColdArc. Opracowany w niemieckiej firmie EWM, jest on przeznaczony do łączenia materiałów o małej grubości, charakteryzuje się również znikomym rozpryskiem. Przebieg napięcia łuku przy spawaniu ColdArc jest identyczny, jak przy konwencjonalnym łuku zwarciowym, różnica istnieje tylko w przebiegu natężenia prądu [12]. Napięcie, a ściśle jego wysoka wartość w momencie przerwania zwarcia, stanowi dla cyfrowego układu sterowania źródła energii sygnał do raptownego zmniejszenia natężenia prądu od wartości prądu zwarcia do prądu łuku. W ten sposób moc w obwodzie gotowym do zajarzenia łuku zmniejsza się i zajarzenie następuje w sposób łagodny. Teraz natężenie prądu wzrasta płynnie, na krótki czas osiągając poziom impulsu potrzebnego do stopienia końca drutu, a następnie prąd jest obniżany do skrajnie niskiej wartości bazowej, co minimalizuje dalsze stapianie, i po dojściu do zwarcia cykl rozpoczyna się od nowa [12]. Impuls powodujący topnienie wytwarza po każdym zwarciu stożek stopionego metalu na końcu drutu, o stałych wymiarach, co sprawia, że proces przebiega stabilnie i spokojnie. Stwarza to jedyną możliwość pracy przy bardzo niskich natężeniach prądu w okresach pomiędzy zwarciami, bez dalszego stapiania drutu i błądzenia łuku, co stanowi podstawę niskoenergetycznego procesu ColdArc. Podany w publikacji wykres mocy łuku pozwala szacować, że łączna energia spawania jest o 1/3 mniejsza w porównaniu z konwencjonalnym spawaniem łukiem zwarciowym. Urządzenia do spawania ColdArc nie zawierają elementów odmiennych od nowoczesnych inwertorowych półautomatów MIG/MAG, wykorzystywane są także typowe uchwyty do spawania ręcznego. Istota rozwiązania ukryta jest w układzie sterowania, który musi z dużą precyzją identyfikować stan obwodu spawania, szczególnie w momencie końca zwarcia, a następnie z wielką prędkością (1 µs) doprowadzić do spadku natężenia prądu i dokładnie regulować przebieg tego parametru. 6. Proces STT Surface Tension Transfer. Proces Surface Tension Transfer, czyli Przenoszenie siłami napięcia powierzchniowego jest procesem spawania łukiem zwarciowym ze sterowaniem przenoszenia metalu siłami napięcia powierzchniowego [1]. Źródło prądu spawania STT pozwala zrealizować nową ideę spawania MIG/MAG łukiem zwarciowym lub tzw. łukiem krótkim. W przeciwieństwie do konwencjonalnego źródła prądu do spawania w osłonie gazów ochronnych urządzenie to precyzyjnie kontroluje prąd spawania w czasie kolejnych cykli zwarcia, co w sposób istotny zmniejsza ilość rozprysków i dymów spawalniczych. Źródła tego nie można jednoznacznie określić jako źródło posiadające płaską lub opadającą charakterystykę statyczną. Podczas spawania przy użyciu tego źródła, prąd jest natychmiast dostosowywany do wymagań cieplnych stawianych przez łuk w każdej fazie cyklu spawania. Konwencjonalne źródło prądu do spawania MIG/MAG, posiadające płaską charakterystykę statyczną, usiłuje utrzymać stałe napięcie podczas cyklu spawania. Jest to przyczyną niewłaściwego kształtu krzywej zmian prądu w czasie kolejnych cykli zwarcia i niewłaściwego rozkładu ciepła łuku w czasie tych cykli. Dla zredukowania rozprysków i dymów spawalniczych prąd powinien posiadać odpowiednią wartość w odpowiednim momencie cyklu i mieć możliwość zmian wartości w czasie milionowych części sekundy. Przebieg zmian prądu w funkcji czasu przy spawaniu źródłem STT przedstawiono na rys. 5. Występuje tu szereg istotnych różnic w porównaniu do spawania tradycyjnego MIG/MAG. Rys. 4. Urządzenie do spawania ColdArc na stanowisku badawczym Laboratorium Inżynierii Środowiska w Instytucie Spawalnictwa [15] Fig. 4. ColdArc welding equipment in the Laboratory of Environmental Engineering at Instytut Spawalnictwa [15]
2008 r. Hutnik Wiadomości hutnicze S. 15 Rys. 5. Fazy cyklu zwarcia przy spawaniu STT [1] schemat przenoszenia kropli napięcie łuku natężenie prądu spawania czas Fig. 5. The stages of short-circuiting cycle in STT welding process [1] The legend: The pattern of the metal drop transfer Arc voltage Welding current Time W przeciwieństwie do tradycyjnego źródła prądu, w przypadku źródła STT, gdy elektroda zaczyna się stykać z jeziorkiem spawalniczym (Tl), następuje natychmiastowe obniżenie wartości prądu i wyeliminowane zostaje tzw. zwarcie początkowe (incipient short). Obniżona wartość prądu jest utrzymywana przez krótki czas do momentu, gdy siły napięcia powierzchniowego zaczynają przenosić kroplę do jeziorka spawalniczego. Dopiero wtedy nakładany jest prąd zwarcia o dużej wartości pinch current (T2) w celu przyspieszenia oderwania kropli. Ilość ciepła wytwarzanego w tym czasie nie jest duża, ponieważ duży prąd wzmacnia siły odrywające kroplę i znacznie skraca czas zwarcia. Wartość tego prądu rośnie w sposób liniowy, a jednocześnie obserwowane jest zaciskanie ciekłego metalu u nasady elektrody i tworzenie szyjki. Kiedy przewężenie to osiąga określoną wielkość, prąd zwarcia jest błyskawicznie redukowany do niskiej wartości (T3), jeszcze przed rozerwaniem połączenia. Dzięki temu oderwanie kropli odbywa się przy niskiej wartości prądu (T4), bez efektu eksplozji. Zaraz po oderwaniu kropli następuje ponowne zajarzenie łuku o wysokim natężeniu prądu (T5 do T6). Okres ten określany jest terminem plasma boost (silne działanie plazmy łuku). Ten krótkotrwały impuls prądu rozszerza łuk, który nadtapia powierzchnię materiału na większej szerokości, przyczyniając się do dobrego wtopienia. Prąd ten jest następnie redukowany do poziomu tła (T7). Źródło prądu STT wytwarza wysoki prąd zwarcia pinch current, co przyczynia się do dobrej stabilności łuku, jednak ze względu na precyzję, z jaką prąd ten jest sterowany, jednocześnie zredukowana jest ilość rozprysków. W dodatku nie ma tutaj potrzeby ustawiania indukcyjności. Przy spawaniu STT funkcja ta jest wykonywana całkowicie automatycznie, niezależnie od typu elektrody, jej wymiaru i szybkości podawania. Technologia STT zmniejsza ilość rozprysków i dymów o ponad 50 %. Dla stali odpornych na korozję jest to niezależne od tego, czy gazem ochronnym jest czysty dwutlenek węgla, mieszanka dwutlenku węgla z argonem, czy mieszanki z helem. Zmniejszenie ilości rozprysków przyczynia się do oszczędności dzięki obniżeniu pracochłonności czyszczenia powierzchni złącza i konserwacji oprzyrządowania w zrobotyzowanych stanowiskach spawalniczych. Dodatkowo, konieczność czyszczenia dyszy palnika występuje po znacznie dłuższym czasie spawania. Mniejsza ilość rozprysków i dymów to lepsze warunki pracy spawacza. Tę cechę potrafi docenić tylko ten, kto pracuje zawodowo jako spawacz. Nie narażony na deszcz iskier pracuje on znacznie bardziej komfortowo i jest mniej zmęczony. Źródło prądu STT steruje precyzyjnie prądem w celu zmniejszenia ilości dymów i rozprysków. Zmniejszona emisja dymów o ponad 50 % zmniejsza koszty ich usuwania. Technologia STT została początkowo opracowana dla spawania półautomatycznego, jednakże zastosowanie do spawania zrobotyzowanego jest jej naturalną adaptacją. Połączenia spawane wykonane z cienkich blach są łatwiejsze do wykonania przy użyciu tego źródła. Ze względu na możliwość precyzyjnego kontrolowania prądu, łatwiejsze jest uniknięcie przetopienia cienkich elementów. Ponieważ w procesie STT przejście materiału stopionej elektrody odbywa się przez fizyczny kontakt, podobnie jak to ma miejsce w łuku zwarciowym, możliwe jest spawanie we wszystkich pozycjach, nawet przez przeciętnie wyszkolonego spawacza. 7. Proces CBT Controlled Bridge Transfer. Autorzy procesu Controlled Bridge Transfer z japońskiej korporacji DAIHEN, wielkiego producenta urządzeń spawalniczych, postawili sobie za cel zredukowanie ilości rozprysków powstających przy spawaniu cienkich blach stalowych. Obiektem badań był proces spawania łukiem zwarciowym bez pulsacji prądu, który daje możliwość zmniejszenia ilości ciepła wprowadzonego do materiału i tym samym zmniejsza tendencję do przepaleń elementów spawanych [13]. Podobna idea leżała u podstaw wspomnianych wcześniej urządzeń STT firmy Lincoln: zaciśnięcie ciekłego metalu na końcu drutu i nagłe zmniejszenie prądu tuż przed ponownym zajarzeniem, tak aby przejście kropli do jeziorka dokonało się tylko siłą napięcia powierzchniowego. Słabością tego założenia jest konieczność bardzo dokładnego określenia momentu przed zakończeniem zwarcia, kiedy należy zmniejszyć prąd, a moment ten jest zmienny zależnie od czynników trudnych do kontroli (wylot drutu, wibracje metalu w jeziorku, prędkość i pozycja spawania itd.). Zmniejszenie wytwarzanych rozprysków osiąga się w procesie CBT poprzez sterowanie wielkością natężenia prądu w momencie końca zwarcia i początku jarzenia łuku (rys. 6), wtedy bowiem powstaje ich najwięcej. Dla powodzenia tego zabiegu kluczowy jest moment początku zmniejszania prądu, który określa się poprzez ustalenie za pomocą czujników obecności metalu stopionego (na końcu drutu), ściśniętego w rezultacie działania sił elektromagnetycznych. Aby uniknąć wpływu zakłóceń na dokładność ustalenia tego momentu, wprowadzono korektę prądu, którego optymalną wartość oblicza
S. 16 Hutnik Wiadomości hutnicze Nr 1 Rys. 6. Zasada procesu CBT [14] natężenie prądu spawania zwarcie łuk Fig. 6. The principle of CBT welding process The legend: Welding current Short circuit Arc układ na podstawie napięcia łuku monitorowanego w sposób ciągły. Taki sposób sterowania zmiennym procesem przepływu metalu pozwala dokładnie przewidzieć moment ponownego zajarzenia i zapobiegać powstawaniu rozprysków. Przy spawaniu z uchwytem w pozycji kątem w przód na ciekły metal na końcu drutu elektrodowego działają połączone siły elektromagnetyczne i napięcia powierzchniowego, usiłujące przemieścić kroplę w kierunku zgodnym z kierunkiem spawania. Siły te odchylają ciekły metal, który zwiera koniec drutu z jeziorkiem spawalniczym, i kiedy ten mostek pęka, powstaje duża ilość rozprysków. Problem ten rozwiązano poprzez zmniejszenie tendencji do narastania prądu zwarcia i tym samym osłabienie sumarycznej siły działającej na kroplę, co zapobiega tworzeniu rozprysków. Opracowano również sposób stabilizacji łuku o odwrotnej biegunowości ( minus na drucie elektrodowym), wykorzystując chwilowe wartości napięcia łuku jako sygnał nastawiający obliczoną wartość natężenia prądu; zoptymalizowany przebieg natężenia prądu zapobiega zwiększaniu się liczby zwarć i ilości rozprysków. Opracowany na podstawie tych wyrafinowanych badań proces CBT wydaje się dawać duże możliwości sterowania spawaniem łukiem zwarciowym w różnych wariantach, a w wyniku następuje zdecydowana redukcja rozprysku. 8. Podsumowanie. Rosnące w wielu gałęziach przemysłu zapotrzebowanie na wysokojakościowe łączenie cienkich blach stalowych z powłokami i bez powłok przyczyniło się do działań czołowych producentów urządzeń spawalniczych, w wyniku których powstały nowe niskoenergetyczne warianty spawania MIG/MAG. Zastosowanie tych nowoczesnych technologii wiąże się z uzyskiwaniem w procesie wytwórczym połączeń o wysokiej jakości, praktycznie bez rozprysków. Na poprawę jakości spawania, w porównaniu z konwencjonalnym spawaniem łukiem zwarciowym, wpływa zmniejszona ilość ciepła wprowadzanego do materiału oraz kontrola łuku i przenoszenia metalu. W praktyce uzyskuje się znaczne ograniczenie odkształceń materiałów oraz elementów cienkościennych, poprawę własności wytrzymałościowych połączeń oraz ograniczenie uszkodzeń powłok ochronnych. Wprowadzanie do produkcji spawalniczej prezentowanych innowacyjnych metod łączenia to również zwiększenie wydajności produkcji poprzez ograniczenie nakładów pracy na operacje wykonywane po spawaniu w celu prostowania oraz usunięcia rozprysków i wszelkich zanieczyszczeń. L i t e r a t u r a 1. Turyk E., Czwórnóg B.: Spawanie metodą MIG/MAG. Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo, cz.2, WNT, 2005 2. Pilarczyk J., Pilarczyk J.: Spawanie i napawanie elektryczne metali, wyd. Śląsk, Katowice 1996 3. Matusiak J., Czwórnóg B., Pfeifer T.: Nowe procesy spawania MIG/MAG o małej energii łuku w aspekcie ograniczania emisji zanieczyszczeń. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, nr 5, 2007, s. 49-55 4. Matusiak J., Czwórnóg B., Pfeifer T.: Spawanie i lutospawanie niskoenergetycznymi metodami MIG/MAG przeznaczonymi do łączenia materiałów i elementów wrażliwych na ciepło. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, nr 6, 2007, s. 41-46 5. Dziedzic M., Turczyn S.: Taśmy ze stali wielofazowych dla przemysłu samochodowego. Hutnik-Wiadomości Hutnicze, vol. 70, nr 4, 2003, s. 153-158, 6. Adamczyk J., Grajcar A.: Blachy samochodowe typu DP i TRIP walcowane metodą obróbki cieplno-mechanicznej. Hutnik-Wiadomości Hutnicze, vol. 71, nr 7-8, 2004, s. 305-309 7. Jordachescu D., Quintino L.: Contributions to the Classification of the Metal Transfer in Arc Welding. IIW Doc. XII-1798-04 8. Lucas W., Jordachescu D., Ponomarew V.: Reviewing the Classification of Metal Transfer. IIW Doc. XII-1859-06 9. Himmelbauer K.: The CMT process a revolution in welding technology. IIW Doc. XII-1875-05 10. Cold Metal Transfer: The New Revolution in Digital GMA Welding. www.robots4welding.com/articles.php. (2007.11.27) 11. CMT: Cold Metal Transfer materiały firmy Fronius 12. Goecke S. F.: Low Energy Arc Joining Process for Materials Sensitive to Heat., publikacja firmy EWM Hightec Welding 13. Era T., Ide A., Uezono T. i in.: Spatter Reduction of Steel Sheets Welding Using Controlled Bridge Transfer (CBT) GMA Process. IIW Doc. XII-1900-06 14. Matusiak J., Pfeifer T., Lehrich W.: Badania wpływu warunków materiałowo-technologicznych nowych procesów spawania MIG/MAG o małej energii łuku na emisję zanieczyszczeń przy spawaniu materiałów wrażliwych na ciepło. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa, 2007