Ocena wydajności spawania w wysokowydajnym procesie SpeedUp oraz MAG Standard w pozycji przymusowej.

Jedną z najbardziej istotnych cech spawalniczych źródeł energii elektrycznej jest ich przydatność technologiczna określona zdolnością do zapłonu i stabilnego palenia się łuku, wielkością i ilością rozprysku metalu podczas spawania (dotyczy wybranych metod spawania) oraz elastycznością łuku. Przydatność ta jest wynikiem właściwości technologicznych źródeł spawalniczych określonych ich charakterystykami statycznymi i dynamicznymi.

Każda metoda spawania łukowego ma swoją specyfikę wynikającą z zakresu stosowanych parametrów, właściwości łuku (skład chemiczny przestrzeni łukowej, rodzaje elektrod itp.) oraz form przechodzenia metalu w łuku, a tym samym stwarza inne wymagania dotyczące właściwości dynamicznych źródeł spawalniczych.

Pod pojęciem stabilności procesu spawania rozumie się odporność źródła na różnego rodzaju zaburzenia wewnętrzne i/lub zewnętrzne, którym może ono ulegać w czasie spawania. Tak więc, badanie stabilności spawania ogranicza się do uzyskania dobrej jakości spoiny o gładkiej powierzchni, przy praktycznie nie zmieniającej się na całej długości geometrii spoiny (szerokości, wysokości lica, głębokości wtopienia). Zgodnie z literaturą, oceniana w ten sposób stabilność procesu spawania jest stabilnością technologiczną [12]. Rozwój nowych odmian metody MAG (STT, CMT, AC Puls, SpeedUP itp.) spowodował poprawę jakości spoin, głębokości wtopienia oraz zwiększenie wydajności procesu spawania. Badania omawiane w artykule dotyczą jedynie wybranych odmian metody MAG w wymuszonych pozycjach spawania.

Cel i metodyka badań
Celem prowadzonych badań jest porównanie spawania w pozycji PF metodą MAG Standard i jej odmiany SpeedUp oraz wpływ tych metod na właściwości spoin oraz wydajność spawania. Podczas badań charakterystyk dynamicznych źródeł spawalniczych, analizowano przebiegi prądu spawania i napięcia łuku oraz odnoszono je do geometrii uzyskanych spoin. W ramach prowadzonych badań wykonano próby spawania na próbkach ze stali niestopowej typu S235 JR. Do badań wykorzystano drut spawalniczy w gatunku G 42 3 M G3Si1 (wg PN-EN ISO 14341:2008) firmy MOST-ITS o średnicy 1,2 mm, jako gaz osłonowego użyto mieszanki Corgon 10 M21 (wg PN-EN ISO 14175:2008). Wydajność spawania poszczególnych odmian metody MAG oceniano przez porównanie do próbki wzorcowej wykonanej metodą MAG Standard. Spawanie w pozycji PF podczas prób porównawczych odbywało się dla obu procesów przy porównywalnym prądzie spawania, tj. 160A. Spawanie prowadzono w sposób częściowo i w pełni zmechanizowany z wykorzystaniem manipulatora postępowego. Do badań wytypowano urządzenie Saprom SpeedPulse firmy LORCH.

Na potrzeby eksperymentu zaprojektowano, a następnie wykonano stanowisko badawcze przedstawione na rysunkach 1 i 2. Spawania złączy teowych metodą SpeedUp w pozycji PF prowadzono w sposób w pełni zmechanizowany z wykorzystaniem manipulatora postępowego, natomiast metodą MAG Standard - ręcznie.

Rys. 1. Spawalnicze stanowisko badawcze do spawania metodą MAG

Rys. 2. Spawalnicze stanowisko badawcze z wykorzystaniem manipulatora postępowego do spawania w pozycji PF

Badania prowadzono z użyciem drutu elektrodowego o średnicy 1,2 mm, w osłonie mieszanki gazowej 90% Ar + 10 % CO₂ (M21 wg PN-EN ISO 14175:2008). Ocena dynamicznych właściwości źródeł napięciowych do spawania metodą MAG prowadzona była na podstawie analizy zarejestrowanych przebiegów napięcia i prądu spawania.

Podczas badań wykonywano spoiny pachwinowe o długości ok. 150 mm. Parametry spawania przedstawiono w tablicy 1. Do prób spawania wykorzystano próbki o wymiarach: długość 200 ± 5 mm, szerokość 100 ± 2 mm, grubość 8 mm. Powierzchnia próbek była metalicznie czysta oraz wolna od zanieczyszczeń.

Tablica 1. Parametry spawania w pozycji PF dwoma odmianami metody MAG.

Odniesieniem wydajności spawania dla ocenianych spoin była wykonana wcześniej spoina wzorcowa, standardową metodą MAG w pozycji PF. Nominalna grubość spoiny pachwinowej była stała i wynosiła dla wszystkich badanych przypadków około 5,5 mm. Podstawowym parametrem spawania porównywalnym dla wszystkich przypadków był prąd spawania o wartości około 160A (tablica 1). Pozostałe parametry dobierane były automatycznie przez synergiczny system sterowania urządzeń. Prędkość spawania dobrano w taki sposób, aby nominalna grubość spoiny pachwinowej była zbliżona do spoiny próbki wzorcowej.

Wyniki badań
W tablicy 2 przedstawiono zarejestrowane przebiegi dynamiczne prądu i napięcia w czasie oraz makrostruktury przekroju poprzecznego spoin.

Tablica 2.  Zestawienie charakterystyk dynamicznych oraz makrostruktur spoin wykonanych ocenianymi odmianami metody MAG.

	Przebiegi prądu i napięcia w czasie	Makrostruktura przekroju poprzecznego spoin
M A G S T A N D A R D
S P E D U P

Porównując zarejestrowane przebiegi prądu i napięcia w czasie należy zauważyć, że różnią się istotnie między sobą. Najbardziej zbliżone do siebie przebiegi dynamiczne w obydwu odmianach metody MAG występują w czasie zwarć, choć jak można zaobserwować w odmianie SpeedUp w czasie fazy zwarć przebiegi prądowe są podbijane dodatkowymi impulsami. Zastosowano tu jedną z najnowszych odmian metody MAG, mianowicie metodę SpeedArc opisywaną już w literaturze [11]. Transport metalu przy stosowaniu metody MAG Standard, odbywa się w klasyczny sposób, podczas zwarcia kropli ciekłego materiału z materiałem spawanym. Następuje wówczas gwałtowny spadek napięcia przy równoczesnym przyroście prądu, aż do momentu, w którym następuje (głównie za sprawą siły elektrodynamicznej) przewężenie „szyjki” ciekłego metalu łączącego elektrodę z jeziorkiem spawalniczym. Siła ściskająca powoduje oderwanie kropli i przeniesienie do jeziorka ciekłego metalu. W metodzie SpeedUp w czasie zwarcia następuje cykliczne podbijanie prądu impulsami powodującymi zwiększenie siły przewężającej, której wartość jest wprost proporcjonalna do kwadratu prądu spawania, a dokładniej prądu płynącego w łuku. Zatem, każda chwilowa zmiana wartości prądu będzie miała znaczący wpływ na proces tworzenia się i przejścia kropli.

Zdjęcia z kamery szybkobieżnej pokazują, że w czasie przechodzenia kropli podczas zwarć w metodzie SpeedUp, podobnie jak w metodzie SpeedArc, łuk spawalniczy jest zawężony. Po fazie zwarciowej następuje płynne przejście do łuku bez zwarciowego jak w metodzie SpeedPuls. Kształt pulsu jest podobny do pulsu w odmianach Puls i Twinpulse tylko w pierwszej fazie narastania prądu w fazie impulsu. W fazie amplitudowej szybkość narastania wartości prądu wyraźnie maleje. Podczas obniżania prądu w odmianie SpeedPuls, prąd zaczyna wolniej opadać do około 2/3 jego wartości szczytowej (zarysowując wyraźny uskok na wykresie), następnie opada podobnie, jak ma to miejsce w odmianie Puls. Dzięki takiemu kształtowaniu piku prądowego jego czas trwania jest dłuższy.

Podczas oceny charakteru przechodzenia kropli do jeziorka spawalniczego, zarejestrowanego szybkobieżną kamerą 1024 PCI firmy Photron, zaobserwowano drobnokropelkowe (strugowe) przechodzenie metalu. Skutkuje to możliwością istotnego zwiększenia posuwu drutu [11, 12] w stosunku do metody MAG Standard. Warto zwrócić uwagę, że po fazie zwarciowej następują piki prądowe o dużo większej wartości, które są płynnie obniżane do wartości średniej prądu nastawionego na urządzeniu. Częstotliwość zmian fazy zwarciowej i fazy SpeedPuls wynosi 3 Hz.

Dzięki odpowiednio zaprogramowanej procedurze odcinającej kroplę, koniec drutu elektrodowego po procesie spawania ma stożkowy kształt (rys. 3), pozbawiony kropli zastygniętego metalu, utrudniającej ponowny zapłon łuku. Jest to istotna zaleta spawania  SpeedUp, gdyż przed ponownym rozpoczęciem procesu spawania nie występuje konieczność obcinania końcówki drutu elektrodowego.

Rys. 3. Stan końca drutu elektrodowego po spawaniu:
po lewej w odmianie MAG Standard, po prawej SpeedUp

Najistotniejszą cechą charakterystyczną metody SpeedUp jest ułatwione spawanie w pozycji pionowej PF. Metoda ta umożliwia spawanie z dużo większą prędkością niż w czasie klasycznego spawania metodą MAG w pozycjach przymusowych. Technika spawania w pozycji PF metodą SpeedUp nie wymaga wykonywania ściegów zakosowych i wystarczy jedynie prostoliniowe prowadzenie uchwytu z dołu do góry. Cykl spawania w odmianie SpeedUp charakteryzuje się dwiema fazami. Pierwszą jest łuk zwarciowy, który ma za zadanie uzyskanie głębokiego wtopienia w materiał rodzimy, przy mniejszej gęstości prądu. Druga faza to przechodzenie kropli przy wykorzystaniu impulsu o dużej gęstości prądu, która powoduje silniejsze nagrzewanie jeziorka spawalniczego i jego rozpływanie.
Na podstawie przeprowadzonych prób spawania stwierdzono, że prędkość spawania w pozycji PF w odmianie SpeedUp w stosunku do odmiany MAG Standard jest aż o 45 % większa (tablica 1).

Podsumowanie wyników badań i wnioski

Przedmiotem przeprowadzonych badań było przeanalizowanie i porównanie podstawowych właściwości wybranych spawalniczych źródeł energii elektrycznej z wewnętrzną przemianą częstotliwości. Badaniami objęto jedno z najnowszych urządzeń do spawania łukowego o napięciowych zewnętrznych charakterystykach statycznych. Poprzez połączenie kilku odmian metody MAG oraz znaczną modyfikację kształtu impulsu prądowego uzyskano możliwość optymalizacji procesu spawania szczególnie w obszarze aplikacji wymienionej metody do spawania zmechanizowanego i zrobotyzowanego w pozycjach wymuszonych. Ograniczono w ten sposób największy z problemów spawania w odmianie MAG w pozycji PF. Konieczność uzyskiwania coraz lepszej jakości spoin przy jednoczesnym podwyższaniu wydajności spawania sprawia, że metoda SpeedUp stanowi ciekawą propozycję dla przemysłu, gdyż zwiększa wydajność spawania prawie o połowę w stosunku do klasycznej metody MAG Standard.



Literatura

1.    Kolasa A.: Właściwości dynamiczne źródeł energii elektrycznej do spawania łukowego oraz kryteria ich oceny. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1990 r.
2.    Pakos R.: Ocena stabilności procesu napawania metodą MAG drutem pełnym i proszkowym. Przegląd Spawalnictwa, 2003, nr 9-10
3.    Dobaj E.: Maszyny i urządzenia spawalnicze. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998 r.
4.    Kang M. J., Kim Y., Ahn S., Rhee S.: Spatter Rate Estimation in the Short-Circuit Transfer Region of GMAW. Welding Journal, September 2003
5.    Słania J.: Badania półautomatów do spawania metodą MIG/MAG prowadzone w Laboratorium Badawczym Spawalnictwa. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 1995, nr 2
6.    Lucas B., Melton E. I. G.: Let’s get technical – choosing an arc welding power source. Welding & Metal Fabrication, May 1999
7.    Kang Y.H., Na S.J.: A Study on Modelling of Magnetic Arc Deflection and Dynamic Analysis of Arc Sensor. Welding Journal, January 2002
8.    Kensik R.: Eksploatacja urządzeń spawalniczych. Część I Źródła spawalnicze. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1995 r.
9.    Węglowski M., Kolasa A., Cegielski P.: Ocena stabilności procesu ręcznego spawania łukowego elektrodami otulonymi. Przegląd Spawalnictwa, 2006, nr 1
10.    Węglowski M.: Badania właściwości spawalniczych źródeł energii elektrycznej z wewnętrzną przemianą częstotliwości. Rozprawa doktorska, Warszawa 2008 r.
11.    Węglowski M., Chmielewski T., Kudła K.: Porównanie wybranych właściwości nowoczesnych spawalniczych inwertorowych źródeł energii przeznaczonych do spawania metodą MAG. 51 Naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnicza, Dębe 22-24.10.2009.
12.    Węglowski M., Chmielewski T.: Badania właściwości urządzeń z wewnętrzną przemianą częstotliwości przeznaczonych do spawania metodą MAG. XVII Międzynarodowa Konferencja Spawalnicza Energetyków, Opole - Turawa, 20-23 kwietnia 2010.
13.    Katalog RYWAL-RHC, Wydanie trzecie, Toruń 2008 r.