Zwarciówka a Puls

Artykuł wprowadza nas do sposobów przenoszenia metalu w łuku, czyli postaram się przeanalizować ekonomiczne aspekty wyboru zwarciowego czy pulsacyjnego sposobu przenoszenia metalu w łuku stosowanego w metodzie MAG.

 

Sposoby przenoszenia metalu łuku w metodzie MAG wpływa ona na:

  1. Stabilność procesu
  2. Poziom rozprysku
  3. Możliwość spawania w pozycjach przymusowych
  4. Kształt spoiny i jej jakość

 

Klasyfikacja przenoszenia metalu w łuku:

  1. Przenoszenie zwarciowe (zanurzeniowe) powstaje, gdy elektroda podawana z większą prędkością niż prędkość jej topnienia, powoduje zmostkowanie słupa łuku i zanurzenie jej końca w jeziorku spawalniczym. Powstaje w zakresie, natężeń prądu spawania od 40-200A i w zakresie napięciu prądu od 16-28V.
  2. Przepływ swobodny (natryskowy bezzwarciowy) powstaje, gdy łuk jest stabilnie podtrzymywany między drutem elektrodowym i przedmiotem spawanym, a metal jest przenoszony przez łuk w postaci wyraźnych kropel. Powstaje w zakresie natężeń prądu spawania od 200-500A i w zakresie napięciu prądu 28-40V.
  3. Przenoszenie prądem pulsującym (bezwarciowe i cykliczne)

 

Do parametrów spawania w metodzie MAG zaliczamy:

  1. Rodzaj i natężenie prądu
  2. Prędkość spawania
  3. Napięcie  łuku
  4. Rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego
  5. Średnica drutu elektrodowego
  6. Długość wolnego wylotu elektrody
  7. Prędkość podawania drutu elektrodowego
  8. Pochylenie złącza lub elektrody

 

Natężenie prądu spawania -  decyduje o wydajności stapiania elektrody oraz głębokości wtopienia. Spawanie półautomatyczne wykonuje się w średnich natężeniach prądu spawania by spawacz mógł nadążyć z przesuwem palnika. W procesach zautomatyzowanych używane są wyższe natężenia prądu spawania i duże prędkości spawania.

 

Prędkość spawania zależy od natężenia prądu spawania i napięcia łuku spawalniczego. Przy wzroście prędkości spawania maleje głębokość wtopienia i spoina staje się wyższa, ale mogą pojawić się podtopienia. Przy zmniejszeniu prędkości spawania głębokość wtopienia jest większa, jak również wzrasta szerokość lica i wysokość nadlewu.

 

Napięcie łuku jest zależne od rodzaju gazu osłonowego. Wzrost jego napięcia, a tym samy zwiększenie jego długości, jest wprost proporcjonalne do zwiększenia szerokości ściegu spoiny oraz zmniejszenia głębokości wtopienia. Zbyt duże napięcie łuku może być przyczyną rozprysku, porowatości i podtopień. Z drugiej strony małe napięcie łuku, a tym samym zmniejszenie długości, wpływa na zmniejszenie szerokości ściegu oraz zwiększenie głębokości wtopienia.

 

 

Od czego zależy dobór prawidłowego napięcia łuku

 

 

Rodzaj gazu ochronnego wywiera istotny wpływ na sposób przenoszenia metalu w łuku, a w szczególności na formowanie się spoiny, rozprysk, transport kropli do jeziorka oraz własności złącza. W metodzie GMA(MAG) stosowane są gazy obojętne takie jak argon i hel oraz aktywne - tlen, dwutlenek węgla oraz mieszanki tych gazów.

Główną cechą dwutlenku węgla (CO2) jest to, że umożliwia spawanie łukiem zwarciowym we wszystkich pozycjach oraz posiada duże wtopienie. Natomiast wadą jest duży rozprysk.

 

Średnica drutu elektrodowego decyduje o gęstości prądu, głębokości wtopienia i sposobie przenoszenia metalu w łuku spawalniczym. Wraz ze wzrostem gęstości prądu wzrasta wydajność stapiania elektrody. W przemyśle stosowane są średnice drutów elektrodowych litych od 0,8 – 1,6[mm], a drutów proszkowych od 1,0-3,2[mm].

 

Wylot drutu elektrodowego ma wpływ na nasilenie podgrzewania oporowego drutu pomiędzy stykiem prądowym a stapiającym się końcem. Wraz ze wzrostem długości wylotu elektrody, przy tym samym natężeniu prądu spawania, wzrasta wydajność stapiania drutu elektrodowego.

 

Najbardziej rozpowszechnioną w przemyśle jest metoda spawania GMA(MAG) prądem stałym z biegunowością ujemną, która posiada poniższe cechy:

  • Spawanie odbywa się z grubokroplowym i nie osiowym przenoszeniem metalu w łuku bez względu na natężenie prądu
  • Rozprysk jest znaczny
  • Głębokość wtopienia jest znacznie mniejsza niż przy biegunowości +
  • Wydajność stapiania elektrody jest do 100% wyższa niż przy biegunowości +
  • Łuk jarzy się niestabilnie w sposób przerywany
  • Dodatek 5% O2 do osłony Ar prowadzi do natryskowego przenoszenia metalu w łuku.

              

Wraz ze wzrostem postępu technologicznego pojawiły się na rynku urządzeń spawalniczych inwertorowe półautomaty spawalnicze z wbudowanymi różnymi funkcjami umożliwiającymi sprawniejszy przebieg procesu spawalniczego.

Jedną z tych funkcji jest spawanie prądem pulsującym, która umożliwia bezzwarciowe przenoszenie metalu w łuku spawalniczym. Podczas spawania prądem pulsującym, źródło wytwarza dwa rodzaje prądu spawania:

  • Podstawowy prąd spawania, który służy bezpośrednio do utrzymania łuku spawalniczego, a pośrednio do topienia końcówki drutu elektrodowego i brzegów łączonych elementów.
  • Prąd pulsujący, który zapewnia stabilne przenoszenie ciekłego metalu do jeziorka spawalniczego, bez zwarć i rozprysków, w rytmie impulsów prądu wytwarzanych przez źródło (kropla ciekłego metalu powstaje szybciej i szybko przechodzi do jeziorka spawalniczego).
Rysunek pulsacyjnego przechodzenia kropli z elektrody do jeziorka spawalniczego
Rys. 1 – Pulsacyjne przechodzenie kropli metalu z elektrody do jeziorka spawalniczego

 

 

Spawanie prądem pulsującym, porównując do tradycyjnego spawania w metodzie GMA(MAG), charakteryzuje się następującymi cechami:

  • Wprowadza mniejsza ilość ciepła do przedmiotu spawanego
  • Umożliwia uzyskanie spoiny o wysokiej jakości mechaniczne
  • Eliminuje rozprysk
  • Zmniejsza zużycie energii elektrycznej w procesie spawania

 

Firma LORCH wprowadziła na rynek źródła prądu Saprom z nową funkcją Speed Puls pozwalającą spawać szybciej od standardowego pulsu

 

Obraz źródła prądu Saprom z nową funkcją Speed Puls

 

Zasada działania oprogramowania Speed Puls rozpoczyna się w momencie topienia się drutu elektrodowego. W Speed Pulsie na jeden impuls prądowy przypada wiele kropel metalu, co pozwola na przechodzenie kropli metalu do jeziorka w sposób strumieniowy-strugowy. Porównując do tradycyjnego spawania pulsem - na jeden impuls prądowy przypadało tylko jedno przejście kropli metalu do jeziorka spawalniczego.

 

Rysunek strumieniowego przechodzenia kropli metalu z elektrody do jieziorka spawalniczego
Rys. 2 – Strumieniowe przechodzenie kropli metalu z elektrody do jeziorka spawalniczego – Speed Puls.

 

 

Zalety Speed Pulsa:

  • Obniżenie kosztów robocizny przez zwiększenie prędkości spawania
  • Zachowanie wszystkich zalet prądu pulsującego związanych ze skróceniem pracochłonnych czynności przed i po spawaniu,
  • Mniejsza strefa wpływu ciepła, co powoduje zmniejszenie odkształceń, większą jakość spoin, zmniejszenie ubytków pierwiastków stopowych,
  • Zmniejszenie hałasu w trakcie spawania o 10dB
  • Bardzo skoncentrowany łuk
  • Głębsze wtopienie

 

Z praktycznego punktu widzenia procesy spawania bazujące na prądzie pulsującym w stosunku do spawania prądem zwarciowym są coraz częściej stosowane w produkcji z uwagi na aspekt ekonomiczny. Dla porównania przedstawiam przykład procesu spawania skrzynki metalowej ze stali S960QL za pomocą  programów źródła prądu Lorch i ich programów :

  • NORMAL – spawanie prądem zwarciowym (Zwarciowe przenoszenie metalu w łuku)
  • PULS – pulsujące przenoszenie metalu w łuku ( Puls standard)
  • SPEEDPULS – strumieniowe przenoszenie metalu w łuku
zdjęcie próbki ze stali s960ql
Rys. 3 – Próbka o wymiarach 300[mm] długości i   150[mm] szerokości i wysokości ze stali S960QL.

 

Lp. Nazwa programu Opis próby Czas całego procesu spawania w [s] Czas czyszczenie odprysków Łączny czas wykonania próby  
A V Vp drutu w [m/min] Główny czas spawania Energia liniowa [kj/cm]
1 NORMAL Zwarciowe przenoszenie metalu w łuku 356,6 148,9 505,5 204 26,2 11,1 343-26,23 [cm/min] 12,22
2 PULS Kroplowe przenoszenie metalu w łuku 352,8 64 416,8 194 31,8 7,1 333-27 [cm/min] 13,71
3 SPEEDPULS Strumieniowe przenoszenie metalu w łuku 294,5 64,1 358,6 196 31 12,2 275-32,72 [cm/min] 11,14

Tabela nr 1. Porównanie programów spawania źródeł prądu LORCH na podstawie spawania próbki ze stali S960QL.

 

Czas całego procesu spawania zawiera w sobie proces spawania, ręczny obrót próbki do spawania rys.3 jak również czas czyszczenia odprysków.

 

Rysunek zwarciowego przenoszenia metalu
Rys.4 Standardowa technologia spawania GMA(MAG) – zwarciowe przenoszenie metalu.

 

 

Rysunek strumieniowego przenoszenia metalu
Rys.5 Technologia SeedPuls – strumieniowe przenoszenie metalu w łuku (brak odprysków).

 

Podsumowując, można powiedzieć, że strumieniowe przenoszenie metalu w łuku spawalniczym, czyli technologie  na bazie prądów pulsacyjnych (tj. Speed Puls) cechuje się:

  • Prędkość spawania technologii standardowej porównywalna z technologią Speed Puls,
  • Większa głębokość wtopienia
  • Technologia bezodpryskowa
  • Wysoka jakość spoin
  • Technologia Speed Puls pozwala na stosowanie niższych parametrów spawania niż w standardowej technologii przy podobnych wielkościach spoiny.
  • Niższe parametry prądowe pozwalają na mniejsze wprowadzenie ciepła do obszaru spoiny.

 

Literatura:

 

[1] – Technologia spawania i napawania stali, staliwa i żeliwa – Instytut spawalnictwa

[2] – Katalog urządzeń LORCH z 2011 roku.

[3] – Własne badania – porównanie technologii standardowej z pulsującą, na podstawie LORCH.