Spawanie cienkich blach - cloos.pl
11
Mgr inŜ. Agnieszka Kiszka, dr inŜ. Tomasz Pfeifer Instytut Spawalnictwa, Zakład Technologii Spawalniczych Spawanie cienkich blach stalowych z powłokami ochronnymi metodą MAG prądem o zmiennej biegunowości Wstęp Rozwój w zakresie nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych i technologii spawalniczych w ostatnim okresie związany jest bardzo ściśle z wymaganiami przemysłu motoryzacyjnego. Pomimo prób wprowadzenia do produkcji takich materiałów, jak stopy magnezu i aluminium, tworzywa sztuczne czy kompozyty, nadal w przewaŜającym stopniu stosowane są stale. Rozstrzygają o tym względy ekonomiczne, własności eksploatacyjne i łatwość łączenia. Wytwórcy z branŜy motoryzacyjnej nieustannie zgłaszają zapotrzebowanie na metody, umoŜliwiające uzyskanie wysokiej jakości połączeń z blach stalowych o małej grubości, zarówno powlekanych, jak i bez powłok ochronnych. Wykorzystywane dotychczas spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazu aktywnego (MAG) blach o grubościach do 3 mm nie dawało zadowalających efektów. Składały się na to problemy z wprowadzaniem do złącza zbyt duŜej ilości ciepła, czego rezultatem były odkształcenia, a takŜe odpryski towarzyszące procesowi spawania. Odpryski znacznie pogarszają estetykę połączeń, a usunięcie ich jest operacją czasochłonną. Wprowadzenie do przemysłu samochodowego nowoczesnych odmian procesów spawania elektrodą topliwą było moŜliwe dzięki opracowaniu nowych rozwiązań w dziedzinie zaawansowanych układów sterowania urządzeń spawalniczych. W odpowiedzi na zapotrzebowanie przemysłu samochodowego opracowano tzw. metody niskoenergetyczne, wśród których prym wiodą metoda CTM i ColdArc. Zastosowanie niskoenergetycznych wariantów spawania elektrodą topliwą pozwala na znaczne zmniejszenie odkształceń spawanych elementów, ograniczenie rozprysku, a co się z tym wiąŜe, znaczne polepszenie estetyki. Zastosowanie tych metod w przypadku blach z pokryciami pozwala zmniejszyć uszkodzenie powłoki ochronnej. Najnowszym rozwiązaniem w zakresie niskoenergetycznych metod spawania elektrodą topliwą jest zastosowanie prądu pulsującego o zmiennej biegunowości (rys.1). W niniejszej publikacji przeanalizowano warunki technologiczne spawania materiałów konstrukcyjnych z powłokami przy zastosowaniu innowacyjnych metod: AC Pulse, opracowanej przez japońską firmę OTC Daihen i Cold Process, stosowanej przy wykorzystaniu urządzenia firmy Cloos. W artykule przedstawiono wyniki uzyskane w Instytucie Spawalnictwa w trakcie prowadzenia pracy badawczej [1].
Transcript of Spawanie cienkich blach - cloos.pl
Spawanie_cienkich_blachMgr in. Agnieszka Kiszka, dr in. Tomasz
Pfeifer Instytut Spawalnictwa, Zakad Technologii Spawalniczych
Spawanie cienkich blach stalowych z powokami ochronnymi metod MAG
prdem o zmiennej biegunowoci
Wstp Rozwój w zakresie nowoczesnych materiaów konstrukcyjnych i technologii spawalniczych w ostatnim okresie zwizany jest bardzo cile z wymaganiami przemysu motoryzacyjnego. Pomimo prób wprowadzenia do produkcji takich materiaów, jak stopy magnezu i aluminium, tworzywa sztuczne czy kompozyty, nadal w przewaajcym stopniu stosowane s stale. Rozstrzygaj o tym wzgldy ekonomiczne, wasnoci eksploatacyjne i atwo czenia. Wytwórcy z brany motoryzacyjnej nieustannie zgaszaj zapotrzebowanie na metody, umoliwiajce uzyskanie wysokiej jakoci pocze z blach stalowych o maej gruboci, zarówno powlekanych, jak i bez powok ochronnych. Wykorzystywane dotychczas spawanie elektrod topliw w osonie gazu aktywnego (MAG) blach o grubociach do 3 mm nie dawao zadowalajcych efektów. Skaday si na to problemy z wprowadzaniem do zcza zbyt duej iloci ciepa, czego rezultatem byy odksztacenia, a take odpryski towarzyszce procesowi spawania. Odpryski znacznie pogarszaj estetyk pocze, a usunicie ich jest operacj czasochonn. Wprowadzenie do przemysu samochodowego nowoczesnych odmian procesów spawania elektrod topliw byo moliwe dziki opracowaniu nowych rozwiza w dziedzinie zaawansowanych ukadów sterowania urzdze spawalniczych. W odpowiedzi na zapotrzebowanie przemysu samochodowego opracowano tzw. metody niskoenergetyczne, wród których prym wiod metoda CTM i ColdArc. Zastosowanie niskoenergetycznych wariantów spawania elektrod topliw pozwala na znaczne zmniejszenie odksztace spawanych elementów, ograniczenie rozprysku, a co si z tym wie, znaczne polepszenie estetyki. Zastosowanie tych metod w przypadku blach z pokryciami pozwala zmniejszy uszkodzenie powoki ochronnej. Najnowszym rozwizaniem w zakresie niskoenergetycznych metod spawania elektrod topliw jest zastosowanie prdu pulsujcego o zmiennej biegunowoci (rys.1). W niniejszej publikacji przeanalizowano warunki technologiczne spawania materiaów konstrukcyjnych z powokami przy zastosowaniu innowacyjnych metod: AC Pulse, opracowanej przez japosk firm OTC Daihen i Cold Process, stosowanej przy wykorzystaniu urzdzenia firmy Cloos. W artykule przedstawiono wyniki uzyskane w Instytucie Spawalnictwa w trakcie prowadzenia pracy badawczej [1].
Rys.1 Przebieg prdu w rónych wariantach spawania elektrod topliw
Przebieg bada i wyniki Badania technologiczne procesu spawania prdem o zmiennej biegunowoci przeprowadzono na stanowisku zmechanizowanym, wyposaonym w traktor spawalniczy wraz z osprztem mocujcym uchwyt, jezdni oraz przyrzd ustalajco – mocujcy spawane elementy. Do bada technologicznych zastosowano urzdzenie DW 300 firmy OTC Daihen oraz urzdzenie Qineo Champ 450 firmy Cloos. W trakcie prób technologicznych zastosowano drut elektrodowy PN-EN ISO 14341-A-G3Si1 o rednicy 1,0 i 1,2 mm [2]. Gaz osonowy w przypadku urzdzenia DW 300 stanowia mieszanka 82 % Ar 18 % CO2 (PN-EN ISO 14175-M21-ArC-18), natomiast w przypadku Qineo Champ 450 naleao zastosowa mieszank 92% Ar 8% CO2 (PN-EN ISO 14175-M20- ArC-8), poniewa dla takiego gazu zostaa opracowana konkretna linia synergiczna wykorzystywana w badaniach i zastosowanie innego gazu osonowego utrudniao prowadzenie procesu [3]. W trakcie prób stosowano stae natenie przepywu gazu osonowego - 12 l/min. Do bada zastosowano nastpujce stale: HX 420 LAD Z 100 MBO, HX 260 LAD Z140 MBO, DX53D ZF 100 RBO, HCT600X ZF100 RBO, H380 LAD Z140 MBO, DX56D ZF100 RBO [4, 5]. Rejestracja przebiegu prdu i napicia w czasie Pierwszy etap bada polega na zarejestrowaniu przebiegów natenia prdu i napicia uku w funkcji czasu. Do bada wykorzystano system monitorowania parametrów elektrycznych procesu spawania, który zosta opracowany w Instytucie Spawalnictwa [6]. W trakcie rejestracji wykonano napoiny na blachach o gruboci 3 mm. Przebiegi rejestrowano przy staych nastawach parametrów technologicznych. Parametrem zmienianym podczas rejestracji by procentowy udzia skadowej ujemnej w przebiegu prdu spawania. Parametr ten w przypadku obydwu urzdze jest wielkoci bezwymiarow i moe by nastawiany od -30 do +30 (DW 300) i od – 50 do + 50 (Qineo Champ). Przebiegi dla skrajnych nastaw udziau skadowej ujemnej pokazano na rysunkach 2-7.
Rys. 2. Przebieg zmian napicia i natenia prdu w trakcie napawania blachy
z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia DW 300. Neutralna nastawa iloci skadowej ujemnej
Rys. 3. Przebieg zmian napicia i natenia prdu w trakcie napawania blachy
z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia DW 300. Minimalny udzia skadowej ujemnej
Rys. 4. Przebieg zmian napicia i natenia prdu w trakcie napawania blachy
z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia DW 300. Maksymalny udzia skadowej ujemnej
Rys. 5. Przebieg zmian napicia uku i natenia prdu w funkcji czasu, zarejestrowanych
w trakcie napawania blachy z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia Qineo Champ 450. Neutralna nastawa iloci skadowej ujemnej
Rys. 6. Przebieg zmian napicia uku i natenia prdu w funkcji czasu, zarejestrowanych
w trakcie napawania blachy z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia Qineo Champ 450. Maksymalny udzia skadowej ujemnej
Rys. 7. Przebieg zmian napicia uku i natenia prdu w funkcji czasu, zarejestrowanych
w trakcie napawania blachy z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia Qineo Champ 450. Minimalny udzia skadowej ujemnej
Wyniki uzyskane podczas rejestracji parametrów elektrycznych w trakcie napawania potwierdziy, e natenie prdu i napicie uku rzeczywicie zmieniaj swoj biegunowo. W przebiegu czasowym prdu spawania mona wyodrbni ze skadowej ujemnej dwa skadniki: prd bazowy i prd impulsu. Prd bazowy podtrzymuje uk w momencie zmiany polaryzacji napicia, ujemny impuls steruje kropl ciekego spoiwa. Informacje literaturowe wskazuj, e proces zachodzi jedynie dla wartoci wspóczynnika wikszych ni 30%, w przeciwnym razie zmiana polaryzacji moe zdestabilizowa uk [7]. W przypadku obydwu urzdze nastawa udziau skadowej ujemnej jest bezwymiarowa, wic nie mona bezporednio okreli, jaki jest dokadnie procentowy udzia skadowej ujemnej w przebiegu natenia prdu spawania i napicia uku (prace nad tym zagadnieniem s aktualnie prowadzone). Podczas bada zaobserwowano, i dla nastawy
zapewniajcej minimalny udzia skadowej ujemnej w przypadku urzdzenia Qineo Champ (rys. 7), skadowa ujemna w ogóle nie wystpuje. Przebieg prdu w tym przypadku jest charakterystyczny dla klasycznego spawania ukiem pulsujcym. Podczas rejestracji parametrów zaobserwowano, e zmiana udziau skadowej ujemnej w istotny sposób wpywa na przebieg procesu i wygld napoin. Dlatego w kolejnym etapie przeprowadzono próby technologiczne spawania i napawania z zastosowaniem rónych nastaw tego parametru, których celem byo okrelenie jego wpywu na ksztat napoin/spoin i estetyk zcza. Wpyw rónych nastaw skadowej ujemnej na przebieg procesu W celu okrelenia wpywu iloci skadowej ujemnej na jako, geometri zcza i gboko wtopienia wykonano szereg napoin przy rónych nastawach tego parametru, przy staych wartociach pozostaych parametrów technologicznych (prdko podawania drutu, prdko spawania). Napoiny zostay wykonane na blachach ze stali HX420 LAD Z 100 MBO o gruboci 3 mm. W tablicy 1 zaprezentowano przykadowe makrostruktury napoin wykonanych dla rónych nastaw ilo skadowej ujemnej.
Tablica 1.Makrostruktury napoin wykonanych na blachach ze stali HX420 LAD Z 100 MBO o gruboci 3 mm przy rónych nastawach udziau skadowej ujemnej
Ilo skadowej ujemnej
Neutralna nastawa iloci skadowej
Badania technologiczne i przeprowadzone badania metalograficzne makroskopowe wykazay, e ilo skadowej ujemnej wpywa na geometri i estetyk napoin. Przy maksymalnym udziale skadowej ujemnej uzyskano najmniejsz gboko wtopienia, a przy ustawieniu minimalnego udziau skadowej ujemnej zaobserwowano najwiksz gboko wtopienia. Uzyskane napoiny cechuj si bardzo dobr jakoci i estetyk. Proces napawania przebiega stabilnie z ma iloci odprysków, co umoliwio uzyskanie gadkiego i równomiernego lica napoiny. Na przekrojach napoin nie zaobserwowano
adnych niezgodnoci spawalniczych. Stwierdzono jedynie, e przy skrajnych nastawach proces przebiega mniej stabilnie, jest mniejsza powtarzalno i pojawia si wikszy rozprysk, co powoduje znaczne pogorszenie estetyki. Zbadano take wpyw udziau skadowej ujemnej na przebieg procesu spawania, a take na jako i estetyk zczy spawanych. Do bada wybrano blachy o gruboci 1,5 mm ze stali DX 53 D ZF 100 RBO z powok cynk-elazo. Badania przeprowadzono wykonujc zcza zakadkowe przy rónych nastawach parametru oraz staych warunkach spawania (prdko podawania drutu i prdko spawania). W trakcie trwania procesu oceniano stabilno procesu, a kade wykonane zcze poddawano badaniom wizualnym. Jako kryterium poprawnoci wyboru parametrów i warunków spawania zastosowano poziom jakoci B wedug normy PN-EN ISO 5817 [8]. Kolejnym kryterium byo jak najmniejsze uszkodzenie warstwy cynku. Przeprowadzone badania wizualne zczy wykonanych przy rónych nastawach udziau skadowej ujemnej wykazay, e praktycznie w caym zakresie nastaw udziau skadowej ujemnej w przebiegu (za wyjtkiem skrajnych) mona uzyska zcza o bardzo dobrej jakoci. Im mniejszy udzia skadowej ujemnej w przebiegu, tym mniejsze uszkodzenie warstwy cynku w pobliu spoiny. Wraz ze zmniejszeniem udziau skadowej zaobserwowano zwikszenie iloci ciepa wprowadzonego do materiau, co objawiao si zwikszeniem si szerokoci strefy przegrzania zcza, wikszymi odksztaceniami oraz lokalnymi przepaleniami czonych elementów. Badania technologiczne spawania rónych stali z powokami W kolejnym etapie przeprowadzono badania technologiczne spawania rónorodnych zczy (doczoowe, teowe i zakadkowe), wykonanych z blach o rónej gruboci. Badania wykazay, e metoda spawania elektrod topliw prdem ze zmienn biegunowoci umoliwia wykonywanie zczy doczoowych, teowych i zakadkowych, charakteryzujcych si bardzo dobr jakoci. Oprócz parametrów technologicznych spawania podstawow zmienn wpywajc na moliwo czenia i przebieg procesu jest udzia skadowej ujemnej. Cienkie elementy najkorzystniej jest spawa przy duym udziale skadowej ujemnej, co zapewnia niewielkie odksztacenia i minimalne uszkodzenie warstwy cynku. Natomiast zcza teowe i zcza doczoowe o wikszej gruboci naley spawa z mniejszym udziaem skadowej ujemnej, gdy wtedy proces jest bardziej „energetyczny”. Badania wykazay, e przy odpowiednim doborze parametrów technologicznych mona wykonywa zcza zakadkowe i doczoowe z blach o gruboci 0,75 mm i 0,8 mm. Na rysunkach 8-10 przedstawiono widoki i makrostruktury wybranych pocze.
Rys. 8 Widok i makrostruktura zcza zakadkowego ze stali DX56D ZF100 RBO
o gruboci 0,75 mm. Trawienie Adler, powikszenie x8
Rys. 9. Widok oraz makrostruktura zcza doczoowego na „I” ze stali DC04+ZE 25/25
AO o gruboci 0,8mm, próbka nr 24 z tabl. 9. A-widok od strony lica spoiny, B- widok od strony grani. Trawienie Adler, powikszenie x8,5
Rys. 10. Widok oraz makrostruktura zcza doczoowego na „I” ze stali HX 420 LAD Z
100 MBO o gruboci 3,0 mm, próbka nr 10.1 z tabl.. 9; A-widok od strony lica spoiny, B- widok od strony grani. Trawienie Adler, powikszenie x5,5
Zalet metody spawania elektrod topliw prdem o zmiennej biegunowoci jest moliwo wykonywania zczy niedopasowanych, nawet ze szczelin 2 mm, co jest szczególnie wane w przemyle motoryzacyjnym, gdzie konieczno spawania elementów niedokadnie dopasowanych wystpuje bardzo czsto. Zwykle jest to podstawowa przyczyna tworzenia si niezgodnoci spawalniczych, takich jak przepalenie i brak przetopu. Elementy, w których stwierdza si obecno takich niezgodnoci kierowane s do spawania naprawczego, co zwiksza koszty produkcji i ilo wyrobów niezgodnych, pogarszajc jednoczenie statystyki produkcyjne. W trakcie bada technologicznych przeprowadzono wic próby spawania zczy niedopasowanych. Wykonano 3 rodzaje zczy: zakadkowe, doczoowe na „I”, a take teowe. Zcza zakadkowe zostay wykonane ze stali HCT 600X ZF 100 RBO o gruboci 1,2 mm. Na zcza doczoowe na „I” zastosowano blachy ze stali HX 420 LAD Z100 MBO o gruboci 3,0 mm. Zcza teowe wykonano z materiau H380 LAD Z140 MBO o gruboci 2,0 mm. Poczenia zostay wykonane przy odstpie 0,5 i 1,0 mm. Na rysunkach 11-13 przedstawiono wybrane zdjcia makroskopowe zczy niedopasowanych.
Rys. 11. Makrostruktura zcza zakadkowego ze stali HCT600X ZF 100 RBO o gruboci 1,2 mm. Zcze spawane z odstpem 1,0 mm. Trawienie Adler, powikszenie
x4
Rys. 12. Makrostruktura zcza doczoowego na „I” ze stali HX 420 LAD Z100 MBO
o gruboci 3,0 mm. Zcze spawane z odstpem 0,5 mm. Trawienie Adler, powikszenie x3
Rys. 13. Makrostruktura zcza teowego ze stali H389 LAD Z140 o gruboci 2,0 mm.
Zcze spawane z odstpem 0,5 mm. Trawienie Adler, powikszenie x5 Badania wykazay, e wariant spawania metod MAG prdem o zmiennej biegunowoci moe by zastosowany do czenia niedopasowanych zczy zarówno doczoowych, teowych, jak i zakadkowych. Dla wszystkich rodzajów powok, stali i gruboci uzyskano dobr jako, estetyk oraz skuteczny efekt mostkowania. Odpowiedni dobór warunków spawania pozwala na zminimalizowanie bd te cakowite wyeliminowanie rozprysku. Podsumowanie Przeprowadzone badania technologiczne spawania cienkich blach ze stali niestopowych i niskostopowych o podwyszonej wytrzymaoci, zabezpieczonych rónymi powokami na bazie cynku wykazay, e zastosowanie prdu o zmiennej biegunowoci umoliwia uzyskanie zczy o dobrej jakoci i estetyce. Proces spawania prdem o zmiennej biegunowoci przebiega co prawda mniej stabilnie ni tradycyjne spawanie metod MAG i cechuje si specyficznym dwikiem, natomiast zcza spawane charakteryzuj si dobr jakoci i na ogó s wolne od odprysków. Podstawowymi zmiennymi procesu, majcymi najwikszy wpyw na przebieg i moliwo spawania oraz na jako i estetyk pocze s parametry technologiczne (prdko podawania drutu, prdko spawania, kt pochylenia uchwytu, dugo uku), a take wspóczynnik udziau skadowej ujemnej w przebiegu prdu spawania. Zmiana udziau
skadowej ujemnej wpywa znaczco na zmian napicia uku i iloci ciepa wprowadzonego do zcza. Badania wykazay, e najkorzystniej jest stosowa neutralne nastawy tego parametru. Zwikszenie udziau skadowej ujemnej powoduje zmniejszenie gbokoci wtopienia i zdolno uku do mostkowania. Jeli zachodzi konieczno spawania cienkich blach i jak najmniejszego uszkodzenia powoki cynkowej, to naley zastosowa w przebiegu prdowym wikszy udzia skadowej ujemnej. Zastosowanie duego udziau skadowej ujemnej w przebiegu umoliwia równie spawanie zczy niedopasowanych. Zmniejszenie udziau skadowej ujemnej powoduje wzrost energetycznoci procesu i zwikszenie gbokoci wtopienia. Zcza teowe oraz elementy o wikszej gruboci wymagaj zastosowania w przebiegu prdowym wikszego udziau skadowej dodatniej. Najkorzystniej jest stosowa neutraln nastaw udziau skadowej ujemnej, gdy wtedy uzyskuje si zarówno dobr jako spoiny, jak i odpowiedni gboko wtopienia. Wicej artykuów w Biuletynie Instytut Spawalnictwa w Gliwicach - zachcamy Pastwa do prenumeraty LITERATURA
1. Matusiak J., Pfeifer T., Wycilik J. , Kiszka A.: Analiza wpywu warunków technologicznych innowacyjnych technik spajania rónych materiaów konstrukcyjnych z nowoczesnymi powokami ochronnymi na stan rodowiska pracy. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Ma-34, Gliwice 2011 r.
2. PN-EN ISO 14341:2011 „Materiay dodatkowe do spawania. Druty elektrodowe i stopiwo do spawania ukowego elektrod metalow w osonie gazu stali niestopowych i drobnoziarnistych. Klasyfikacja”
3. PN-EN ISO 14175:2009 „Materiay dodatkowe do spawania. Gazy i mieszaniny gazów do spawania i procesów pokrewnych”
4. PN-EN 10346:2011 „Wyroby paskie stalowe powlekane ogniowo w sposób cigy. Warunki techniczne dostawy”
5. PN-EN 10152:2011 „Wyroby paskie stalowe walcowane na zimno ocynkowane elektrolitycznie do obróbki plastycznej na zimno. Warunki techniczne dostawy”
6. Szubert L., Skoczewski P, Welcel M.: System rejestracji parametrów elektrycznych procesu spawania dla wielu stanowisk produkcyjnych. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Fc-89, Gliwice 2010 r.
7. Jaskólski K.: Robotyzacja OTC z wykorzystaniem niskoenergetycznych metod spawania. Materiay firmy SAP, 2010
8. PN-EN ISO 5817:2009 „Spawanie. Zcza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjtkiem spawanych wizk). Poziomy jakoci wedug niezgodnoci spawalniczych”
Mgr in. Agnieszka Kiszka, dr in. Tomasz Pfeifer – Instytut Spawalnictwa, Zakad Technologii Spawalniczych
A. Kiszka, T. Pfeifer - Spawanie cienkich blach stalowych z powokami ochronnymi metod MAG prdem o zmiennej biegunowoci
Przedstawiono wyniki bada nad zastosowaniem nowo opracowanej metody spawania elektrod topliw w osonie gazu prdem o zmiennej biegunowoci do czenia blach z powokami ochronnymi. Proces prowadzono na urzdzeniach DW 300 firmy OTC Daihen i Qineo Chamo 450 firmy Cloos. Omówiono wpyw udziau skadowej ujemnej w przebiegu prdu i napicia na jako zczy i stabilno procesu oraz na stopie uszkodzenia powoki ochronnej. Przedstawiono moliwo zastosowania procesu spawania prdem o zmiennej biegunowoci do czenia cienkich blach, stosowanych w przemyle motoryzacyjnym. A. Kiszka, T. Pfeifer - Welding of thin sheets with protective coatings using variable polarity MAG method Results of research on application of variable polarity MAG method for welding of thin sheets with protective coatings have been presented. The process was carried on with the use of OTC Daihen DW 300 and Cloos Qineo Champ welding devices. The influence of negative component of welding current and voltage on process stability, joints quality and the degree of protective coating damage has been discussed. It has been presented the usability of variable polarity MAG processes for welding of thin sheets in automotive industry.
Artyku "Kierunki poprawy efektywnoci spawania stali nierdzewnych" Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach 1/2012
Wstp Rozwój w zakresie nowoczesnych materiaów konstrukcyjnych i technologii spawalniczych w ostatnim okresie zwizany jest bardzo cile z wymaganiami przemysu motoryzacyjnego. Pomimo prób wprowadzenia do produkcji takich materiaów, jak stopy magnezu i aluminium, tworzywa sztuczne czy kompozyty, nadal w przewaajcym stopniu stosowane s stale. Rozstrzygaj o tym wzgldy ekonomiczne, wasnoci eksploatacyjne i atwo czenia. Wytwórcy z brany motoryzacyjnej nieustannie zgaszaj zapotrzebowanie na metody, umoliwiajce uzyskanie wysokiej jakoci pocze z blach stalowych o maej gruboci, zarówno powlekanych, jak i bez powok ochronnych. Wykorzystywane dotychczas spawanie elektrod topliw w osonie gazu aktywnego (MAG) blach o grubociach do 3 mm nie dawao zadowalajcych efektów. Skaday si na to problemy z wprowadzaniem do zcza zbyt duej iloci ciepa, czego rezultatem byy odksztacenia, a take odpryski towarzyszce procesowi spawania. Odpryski znacznie pogarszaj estetyk pocze, a usunicie ich jest operacj czasochonn. Wprowadzenie do przemysu samochodowego nowoczesnych odmian procesów spawania elektrod topliw byo moliwe dziki opracowaniu nowych rozwiza w dziedzinie zaawansowanych ukadów sterowania urzdze spawalniczych. W odpowiedzi na zapotrzebowanie przemysu samochodowego opracowano tzw. metody niskoenergetyczne, wród których prym wiod metoda CTM i ColdArc. Zastosowanie niskoenergetycznych wariantów spawania elektrod topliw pozwala na znaczne zmniejszenie odksztace spawanych elementów, ograniczenie rozprysku, a co si z tym wie, znaczne polepszenie estetyki. Zastosowanie tych metod w przypadku blach z pokryciami pozwala zmniejszy uszkodzenie powoki ochronnej. Najnowszym rozwizaniem w zakresie niskoenergetycznych metod spawania elektrod topliw jest zastosowanie prdu pulsujcego o zmiennej biegunowoci (rys.1). W niniejszej publikacji przeanalizowano warunki technologiczne spawania materiaów konstrukcyjnych z powokami przy zastosowaniu innowacyjnych metod: AC Pulse, opracowanej przez japosk firm OTC Daihen i Cold Process, stosowanej przy wykorzystaniu urzdzenia firmy Cloos. W artykule przedstawiono wyniki uzyskane w Instytucie Spawalnictwa w trakcie prowadzenia pracy badawczej [1].
Rys.1 Przebieg prdu w rónych wariantach spawania elektrod topliw
Przebieg bada i wyniki Badania technologiczne procesu spawania prdem o zmiennej biegunowoci przeprowadzono na stanowisku zmechanizowanym, wyposaonym w traktor spawalniczy wraz z osprztem mocujcym uchwyt, jezdni oraz przyrzd ustalajco – mocujcy spawane elementy. Do bada technologicznych zastosowano urzdzenie DW 300 firmy OTC Daihen oraz urzdzenie Qineo Champ 450 firmy Cloos. W trakcie prób technologicznych zastosowano drut elektrodowy PN-EN ISO 14341-A-G3Si1 o rednicy 1,0 i 1,2 mm [2]. Gaz osonowy w przypadku urzdzenia DW 300 stanowia mieszanka 82 % Ar 18 % CO2 (PN-EN ISO 14175-M21-ArC-18), natomiast w przypadku Qineo Champ 450 naleao zastosowa mieszank 92% Ar 8% CO2 (PN-EN ISO 14175-M20- ArC-8), poniewa dla takiego gazu zostaa opracowana konkretna linia synergiczna wykorzystywana w badaniach i zastosowanie innego gazu osonowego utrudniao prowadzenie procesu [3]. W trakcie prób stosowano stae natenie przepywu gazu osonowego - 12 l/min. Do bada zastosowano nastpujce stale: HX 420 LAD Z 100 MBO, HX 260 LAD Z140 MBO, DX53D ZF 100 RBO, HCT600X ZF100 RBO, H380 LAD Z140 MBO, DX56D ZF100 RBO [4, 5]. Rejestracja przebiegu prdu i napicia w czasie Pierwszy etap bada polega na zarejestrowaniu przebiegów natenia prdu i napicia uku w funkcji czasu. Do bada wykorzystano system monitorowania parametrów elektrycznych procesu spawania, który zosta opracowany w Instytucie Spawalnictwa [6]. W trakcie rejestracji wykonano napoiny na blachach o gruboci 3 mm. Przebiegi rejestrowano przy staych nastawach parametrów technologicznych. Parametrem zmienianym podczas rejestracji by procentowy udzia skadowej ujemnej w przebiegu prdu spawania. Parametr ten w przypadku obydwu urzdze jest wielkoci bezwymiarow i moe by nastawiany od -30 do +30 (DW 300) i od – 50 do + 50 (Qineo Champ). Przebiegi dla skrajnych nastaw udziau skadowej ujemnej pokazano na rysunkach 2-7.
Rys. 2. Przebieg zmian napicia i natenia prdu w trakcie napawania blachy
z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia DW 300. Neutralna nastawa iloci skadowej ujemnej
Rys. 3. Przebieg zmian napicia i natenia prdu w trakcie napawania blachy
z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia DW 300. Minimalny udzia skadowej ujemnej
Rys. 4. Przebieg zmian napicia i natenia prdu w trakcie napawania blachy
z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia DW 300. Maksymalny udzia skadowej ujemnej
Rys. 5. Przebieg zmian napicia uku i natenia prdu w funkcji czasu, zarejestrowanych
w trakcie napawania blachy z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia Qineo Champ 450. Neutralna nastawa iloci skadowej ujemnej
Rys. 6. Przebieg zmian napicia uku i natenia prdu w funkcji czasu, zarejestrowanych
w trakcie napawania blachy z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia Qineo Champ 450. Maksymalny udzia skadowej ujemnej
Rys. 7. Przebieg zmian napicia uku i natenia prdu w funkcji czasu, zarejestrowanych
w trakcie napawania blachy z powok cynkow przy zastosowaniu urzdzenia Qineo Champ 450. Minimalny udzia skadowej ujemnej
Wyniki uzyskane podczas rejestracji parametrów elektrycznych w trakcie napawania potwierdziy, e natenie prdu i napicie uku rzeczywicie zmieniaj swoj biegunowo. W przebiegu czasowym prdu spawania mona wyodrbni ze skadowej ujemnej dwa skadniki: prd bazowy i prd impulsu. Prd bazowy podtrzymuje uk w momencie zmiany polaryzacji napicia, ujemny impuls steruje kropl ciekego spoiwa. Informacje literaturowe wskazuj, e proces zachodzi jedynie dla wartoci wspóczynnika wikszych ni 30%, w przeciwnym razie zmiana polaryzacji moe zdestabilizowa uk [7]. W przypadku obydwu urzdze nastawa udziau skadowej ujemnej jest bezwymiarowa, wic nie mona bezporednio okreli, jaki jest dokadnie procentowy udzia skadowej ujemnej w przebiegu natenia prdu spawania i napicia uku (prace nad tym zagadnieniem s aktualnie prowadzone). Podczas bada zaobserwowano, i dla nastawy
zapewniajcej minimalny udzia skadowej ujemnej w przypadku urzdzenia Qineo Champ (rys. 7), skadowa ujemna w ogóle nie wystpuje. Przebieg prdu w tym przypadku jest charakterystyczny dla klasycznego spawania ukiem pulsujcym. Podczas rejestracji parametrów zaobserwowano, e zmiana udziau skadowej ujemnej w istotny sposób wpywa na przebieg procesu i wygld napoin. Dlatego w kolejnym etapie przeprowadzono próby technologiczne spawania i napawania z zastosowaniem rónych nastaw tego parametru, których celem byo okrelenie jego wpywu na ksztat napoin/spoin i estetyk zcza. Wpyw rónych nastaw skadowej ujemnej na przebieg procesu W celu okrelenia wpywu iloci skadowej ujemnej na jako, geometri zcza i gboko wtopienia wykonano szereg napoin przy rónych nastawach tego parametru, przy staych wartociach pozostaych parametrów technologicznych (prdko podawania drutu, prdko spawania). Napoiny zostay wykonane na blachach ze stali HX420 LAD Z 100 MBO o gruboci 3 mm. W tablicy 1 zaprezentowano przykadowe makrostruktury napoin wykonanych dla rónych nastaw ilo skadowej ujemnej.
Tablica 1.Makrostruktury napoin wykonanych na blachach ze stali HX420 LAD Z 100 MBO o gruboci 3 mm przy rónych nastawach udziau skadowej ujemnej
Ilo skadowej ujemnej
Neutralna nastawa iloci skadowej
Badania technologiczne i przeprowadzone badania metalograficzne makroskopowe wykazay, e ilo skadowej ujemnej wpywa na geometri i estetyk napoin. Przy maksymalnym udziale skadowej ujemnej uzyskano najmniejsz gboko wtopienia, a przy ustawieniu minimalnego udziau skadowej ujemnej zaobserwowano najwiksz gboko wtopienia. Uzyskane napoiny cechuj si bardzo dobr jakoci i estetyk. Proces napawania przebiega stabilnie z ma iloci odprysków, co umoliwio uzyskanie gadkiego i równomiernego lica napoiny. Na przekrojach napoin nie zaobserwowano
adnych niezgodnoci spawalniczych. Stwierdzono jedynie, e przy skrajnych nastawach proces przebiega mniej stabilnie, jest mniejsza powtarzalno i pojawia si wikszy rozprysk, co powoduje znaczne pogorszenie estetyki. Zbadano take wpyw udziau skadowej ujemnej na przebieg procesu spawania, a take na jako i estetyk zczy spawanych. Do bada wybrano blachy o gruboci 1,5 mm ze stali DX 53 D ZF 100 RBO z powok cynk-elazo. Badania przeprowadzono wykonujc zcza zakadkowe przy rónych nastawach parametru oraz staych warunkach spawania (prdko podawania drutu i prdko spawania). W trakcie trwania procesu oceniano stabilno procesu, a kade wykonane zcze poddawano badaniom wizualnym. Jako kryterium poprawnoci wyboru parametrów i warunków spawania zastosowano poziom jakoci B wedug normy PN-EN ISO 5817 [8]. Kolejnym kryterium byo jak najmniejsze uszkodzenie warstwy cynku. Przeprowadzone badania wizualne zczy wykonanych przy rónych nastawach udziau skadowej ujemnej wykazay, e praktycznie w caym zakresie nastaw udziau skadowej ujemnej w przebiegu (za wyjtkiem skrajnych) mona uzyska zcza o bardzo dobrej jakoci. Im mniejszy udzia skadowej ujemnej w przebiegu, tym mniejsze uszkodzenie warstwy cynku w pobliu spoiny. Wraz ze zmniejszeniem udziau skadowej zaobserwowano zwikszenie iloci ciepa wprowadzonego do materiau, co objawiao si zwikszeniem si szerokoci strefy przegrzania zcza, wikszymi odksztaceniami oraz lokalnymi przepaleniami czonych elementów. Badania technologiczne spawania rónych stali z powokami W kolejnym etapie przeprowadzono badania technologiczne spawania rónorodnych zczy (doczoowe, teowe i zakadkowe), wykonanych z blach o rónej gruboci. Badania wykazay, e metoda spawania elektrod topliw prdem ze zmienn biegunowoci umoliwia wykonywanie zczy doczoowych, teowych i zakadkowych, charakteryzujcych si bardzo dobr jakoci. Oprócz parametrów technologicznych spawania podstawow zmienn wpywajc na moliwo czenia i przebieg procesu jest udzia skadowej ujemnej. Cienkie elementy najkorzystniej jest spawa przy duym udziale skadowej ujemnej, co zapewnia niewielkie odksztacenia i minimalne uszkodzenie warstwy cynku. Natomiast zcza teowe i zcza doczoowe o wikszej gruboci naley spawa z mniejszym udziaem skadowej ujemnej, gdy wtedy proces jest bardziej „energetyczny”. Badania wykazay, e przy odpowiednim doborze parametrów technologicznych mona wykonywa zcza zakadkowe i doczoowe z blach o gruboci 0,75 mm i 0,8 mm. Na rysunkach 8-10 przedstawiono widoki i makrostruktury wybranych pocze.
Rys. 8 Widok i makrostruktura zcza zakadkowego ze stali DX56D ZF100 RBO
o gruboci 0,75 mm. Trawienie Adler, powikszenie x8
Rys. 9. Widok oraz makrostruktura zcza doczoowego na „I” ze stali DC04+ZE 25/25
AO o gruboci 0,8mm, próbka nr 24 z tabl. 9. A-widok od strony lica spoiny, B- widok od strony grani. Trawienie Adler, powikszenie x8,5
Rys. 10. Widok oraz makrostruktura zcza doczoowego na „I” ze stali HX 420 LAD Z
100 MBO o gruboci 3,0 mm, próbka nr 10.1 z tabl.. 9; A-widok od strony lica spoiny, B- widok od strony grani. Trawienie Adler, powikszenie x5,5
Zalet metody spawania elektrod topliw prdem o zmiennej biegunowoci jest moliwo wykonywania zczy niedopasowanych, nawet ze szczelin 2 mm, co jest szczególnie wane w przemyle motoryzacyjnym, gdzie konieczno spawania elementów niedokadnie dopasowanych wystpuje bardzo czsto. Zwykle jest to podstawowa przyczyna tworzenia si niezgodnoci spawalniczych, takich jak przepalenie i brak przetopu. Elementy, w których stwierdza si obecno takich niezgodnoci kierowane s do spawania naprawczego, co zwiksza koszty produkcji i ilo wyrobów niezgodnych, pogarszajc jednoczenie statystyki produkcyjne. W trakcie bada technologicznych przeprowadzono wic próby spawania zczy niedopasowanych. Wykonano 3 rodzaje zczy: zakadkowe, doczoowe na „I”, a take teowe. Zcza zakadkowe zostay wykonane ze stali HCT 600X ZF 100 RBO o gruboci 1,2 mm. Na zcza doczoowe na „I” zastosowano blachy ze stali HX 420 LAD Z100 MBO o gruboci 3,0 mm. Zcza teowe wykonano z materiau H380 LAD Z140 MBO o gruboci 2,0 mm. Poczenia zostay wykonane przy odstpie 0,5 i 1,0 mm. Na rysunkach 11-13 przedstawiono wybrane zdjcia makroskopowe zczy niedopasowanych.
Rys. 11. Makrostruktura zcza zakadkowego ze stali HCT600X ZF 100 RBO o gruboci 1,2 mm. Zcze spawane z odstpem 1,0 mm. Trawienie Adler, powikszenie
x4
Rys. 12. Makrostruktura zcza doczoowego na „I” ze stali HX 420 LAD Z100 MBO
o gruboci 3,0 mm. Zcze spawane z odstpem 0,5 mm. Trawienie Adler, powikszenie x3
Rys. 13. Makrostruktura zcza teowego ze stali H389 LAD Z140 o gruboci 2,0 mm.
Zcze spawane z odstpem 0,5 mm. Trawienie Adler, powikszenie x5 Badania wykazay, e wariant spawania metod MAG prdem o zmiennej biegunowoci moe by zastosowany do czenia niedopasowanych zczy zarówno doczoowych, teowych, jak i zakadkowych. Dla wszystkich rodzajów powok, stali i gruboci uzyskano dobr jako, estetyk oraz skuteczny efekt mostkowania. Odpowiedni dobór warunków spawania pozwala na zminimalizowanie bd te cakowite wyeliminowanie rozprysku. Podsumowanie Przeprowadzone badania technologiczne spawania cienkich blach ze stali niestopowych i niskostopowych o podwyszonej wytrzymaoci, zabezpieczonych rónymi powokami na bazie cynku wykazay, e zastosowanie prdu o zmiennej biegunowoci umoliwia uzyskanie zczy o dobrej jakoci i estetyce. Proces spawania prdem o zmiennej biegunowoci przebiega co prawda mniej stabilnie ni tradycyjne spawanie metod MAG i cechuje si specyficznym dwikiem, natomiast zcza spawane charakteryzuj si dobr jakoci i na ogó s wolne od odprysków. Podstawowymi zmiennymi procesu, majcymi najwikszy wpyw na przebieg i moliwo spawania oraz na jako i estetyk pocze s parametry technologiczne (prdko podawania drutu, prdko spawania, kt pochylenia uchwytu, dugo uku), a take wspóczynnik udziau skadowej ujemnej w przebiegu prdu spawania. Zmiana udziau
skadowej ujemnej wpywa znaczco na zmian napicia uku i iloci ciepa wprowadzonego do zcza. Badania wykazay, e najkorzystniej jest stosowa neutralne nastawy tego parametru. Zwikszenie udziau skadowej ujemnej powoduje zmniejszenie gbokoci wtopienia i zdolno uku do mostkowania. Jeli zachodzi konieczno spawania cienkich blach i jak najmniejszego uszkodzenia powoki cynkowej, to naley zastosowa w przebiegu prdowym wikszy udzia skadowej ujemnej. Zastosowanie duego udziau skadowej ujemnej w przebiegu umoliwia równie spawanie zczy niedopasowanych. Zmniejszenie udziau skadowej ujemnej powoduje wzrost energetycznoci procesu i zwikszenie gbokoci wtopienia. Zcza teowe oraz elementy o wikszej gruboci wymagaj zastosowania w przebiegu prdowym wikszego udziau skadowej dodatniej. Najkorzystniej jest stosowa neutraln nastaw udziau skadowej ujemnej, gdy wtedy uzyskuje si zarówno dobr jako spoiny, jak i odpowiedni gboko wtopienia. Wicej artykuów w Biuletynie Instytut Spawalnictwa w Gliwicach - zachcamy Pastwa do prenumeraty LITERATURA
1. Matusiak J., Pfeifer T., Wycilik J. , Kiszka A.: Analiza wpywu warunków technologicznych innowacyjnych technik spajania rónych materiaów konstrukcyjnych z nowoczesnymi powokami ochronnymi na stan rodowiska pracy. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Ma-34, Gliwice 2011 r.
2. PN-EN ISO 14341:2011 „Materiay dodatkowe do spawania. Druty elektrodowe i stopiwo do spawania ukowego elektrod metalow w osonie gazu stali niestopowych i drobnoziarnistych. Klasyfikacja”
3. PN-EN ISO 14175:2009 „Materiay dodatkowe do spawania. Gazy i mieszaniny gazów do spawania i procesów pokrewnych”
4. PN-EN 10346:2011 „Wyroby paskie stalowe powlekane ogniowo w sposób cigy. Warunki techniczne dostawy”
5. PN-EN 10152:2011 „Wyroby paskie stalowe walcowane na zimno ocynkowane elektrolitycznie do obróbki plastycznej na zimno. Warunki techniczne dostawy”
6. Szubert L., Skoczewski P, Welcel M.: System rejestracji parametrów elektrycznych procesu spawania dla wielu stanowisk produkcyjnych. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Fc-89, Gliwice 2010 r.
7. Jaskólski K.: Robotyzacja OTC z wykorzystaniem niskoenergetycznych metod spawania. Materiay firmy SAP, 2010
8. PN-EN ISO 5817:2009 „Spawanie. Zcza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjtkiem spawanych wizk). Poziomy jakoci wedug niezgodnoci spawalniczych”
Mgr in. Agnieszka Kiszka, dr in. Tomasz Pfeifer – Instytut Spawalnictwa, Zakad Technologii Spawalniczych
A. Kiszka, T. Pfeifer - Spawanie cienkich blach stalowych z powokami ochronnymi metod MAG prdem o zmiennej biegunowoci
Przedstawiono wyniki bada nad zastosowaniem nowo opracowanej metody spawania elektrod topliw w osonie gazu prdem o zmiennej biegunowoci do czenia blach z powokami ochronnymi. Proces prowadzono na urzdzeniach DW 300 firmy OTC Daihen i Qineo Chamo 450 firmy Cloos. Omówiono wpyw udziau skadowej ujemnej w przebiegu prdu i napicia na jako zczy i stabilno procesu oraz na stopie uszkodzenia powoki ochronnej. Przedstawiono moliwo zastosowania procesu spawania prdem o zmiennej biegunowoci do czenia cienkich blach, stosowanych w przemyle motoryzacyjnym. A. Kiszka, T. Pfeifer - Welding of thin sheets with protective coatings using variable polarity MAG method Results of research on application of variable polarity MAG method for welding of thin sheets with protective coatings have been presented. The process was carried on with the use of OTC Daihen DW 300 and Cloos Qineo Champ welding devices. The influence of negative component of welding current and voltage on process stability, joints quality and the degree of protective coating damage has been discussed. It has been presented the usability of variable polarity MAG processes for welding of thin sheets in automotive industry.
Artyku "Kierunki poprawy efektywnoci spawania stali nierdzewnych" Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach 1/2012
