Полуавтоматическая сварка (MIG/MAG)

Технология EWM-coldArc® – MIG/MAG-сварка с ограниченным тепловложением

Применение в современном машиностроении металлоконструкций из тонкого металла предъявляет к сварочному оборудованию особые требования, которые не может удовлетворить стандартная сварочная техника. Потребовалась разработка такого сварочного оборудования и технологии, которые могли бы обеспечить получение надежного сварного соединения с минимальным тепловложением.

Компанией EWM был разработан такой сварочный процесс, получивший название coldArc, что означает дословно «холодная дуга». Особенностью этого процесса является то, что процесс идет без дополнительного вмешательства в управление скоростью подачи сварочной проволоки, как это реализовано в оборудовании других производителей сварочной техники. Поэтому при применении технологии coldArc не требуется использование дорогостоящих специализированных сварочных горелок, а применяются стандартные сварочные горелки, подходящие для сварки стандартной MIG/MAG дугой.

EWM-coldArc®: Короткая дуга с минимальным тепловложением для сварки и пайки тонких листов, а также провара корня шва с хорошим перекрытием зазора

К лозунгам современного машиностроения «дальше, выше, быстрее» в последнее время добавился «легче». Это, прежде всего, актуально для автомобилестроения и машиностроения, где малая масса машины позволяет увеличить ресурс изнашивающихся частей. Конечно же, одним из способов снижения массы является применение тонколистового металла и высокопрочных сталей, а также использование легких материалов (алюминия, магния). Тонколистовые конструкции предъявляют к сварочному оборудованию и технологии особые требования при сварке – прочность сварных соединений и ограниченное тепловложение. Таким требованиям в полной мере соответствует оборудование с технологией coldArc.

alpha Q

Минимизированное выделение тепла

• незначительное изменение структуры металла
• снижение деформации
• минимизирована зона термического влияния
• уменьшение зоны цветов побежалости и образования окалины
• применяется для сварки углеродистой, нержавеющей и оцинкованной стали

Применяется во всех пространственных положениях

• контроль сварочной ванны во всех положениях
• замечательное перекрытие зазора делает возможным увеличение допусков в соедидениях
• надежная сварка при неравномерном воздушном зазоре
• надежная сварка в вертикальном и потолочном положениях благодаря оптимальной вязкости сварочной ванны

Процесс без образования брызг

• цифровой контроль переноса металла в сварочную ванну
• сокращение времени на подготовительные операции
• высокое качество лицевых швов - нет необходимости в дополнительной обработке

Непревзойденное перекрытие зазоров при сварке корневых швов

• нет провисания расплавленного материала
• надежный провар даже при смещении кромок
• отсутствие пробивания проволоки насквозь (ёжик)
• корневые проходы на всех толщинах листа во всех пространственных положениях

coldArc + impuls + forceArc

• проварка корня технологией coldArc: полный контроль перехода капли, минимизация дефектов соединения, а также сварка без образования брызг
• заполнение разделки в режиме forceArc, облицовочный шов технологией Impuls
• надежный сварной шов при высокой экономичности

Пайка с минимальным выделением тепла с применением низкотемпературного припоя на основе цинка

• отсутствие повреждения цинкового слоя
• минимальная деформация
• альтернатива сплавам на основе меди сопоставимой прочности
• замечательная антикоррозионная устойчивость

Короткая дуга, традиционная сварка на малой мощности

Стандартная MIG/MAG-сварка короткой дугой осуществима на маленькой силе сварочного тока и небольшом напряжении. При этом переход металла в сварочную ванну осуществляется мелкокапельным переносом, при котором характерны чередующиеся фазы коротких замыканий и фазы горения дуги (см. рис. 1).

Рис. 1 Переход металла в сварочную ванну при сварке короткой дугой

Процесс сварки короткой дугой можно описать так, во время горения дуги на конце электродной проволоки образуется капля расплавленного металла, которая очень быстро вступает в контакт с металла сварочной ванны, в результате чего дуга гаснет. За счет поверхностного натяжения расплавленного металла капля втягивается в сварочную ванну с конца электрода, после разрыва моста из расплавленного металла между электродной проволокой и сварочной ванной зажигается дуга. Что при этом происходит с током и напряжением, показано на рис.1. В начальной стадии короткого замыкания напряжение резко падает, т.к. сопротивление моста из расплавленного металла значительно меньше, чем сопротивление дуги. Одновременно с этим ток начинает возрастать до тока короткого замыкания. Далее перед самым разрывом перемычки между электродной проволокой и сварочной ванной напряжение быстро увеличивается из-за увеличения электрического сопротивления, а сварочный ток при этом спадает очень медленно, из-за индуктивности цени источника питания. Возобновление горения дуги происходит при этом при относительно высоком значении напряжения, из-за этого часть перемычки (моста) взрывообразно испаряется с образованием брызг. Для предотвращения этого необходимо противодействовать росту тока дросселированием сварочной цепи.

При сварке металлоконструкций требующих ограничения по тепловложению, например, при сварке тонких листов с плохой подгонкой друг к другу, может произойти прожог металла, что чаще всего происходит при сварке короткой дугой. При сварке листов с цинковым покрытием, существует вероятность испарения покрытия в околошовной зоне. При сварке высокопрочных сталей при подводе излишнего тепла может произойти разупрочнение. Поэтому, исходя их всего вышеперечисленного, применение обычной короткой дуги не подходит для выполнения сварки материалов чувствительных к теплу.

Способы усовершенствования сварки короткой дугой

На протяжении всей истории сварки проводились многочисленные попытки улучшить горение сварочной дуги после короткого замыкания и ограничения ее теплового вложения в сварочный шов. В 80-х годах осуществлялась попытка уменьшить ток непосредственно перед разрывом перемычки между электродной проволокой и сварочной ванной, и после подвести импульс напряжения для улучшения зажигания дуги. Были получены положительные результаты по уменьшению разбрызгивания, но уменьшить тепловложение не удалось.

Следующим этапом усовершенствования короткой дуги стало применение дуги ChopArc, благодаря которой был достигнут прогресс при MIG/MAG – сварки в диапазоне толщин от 0,8 до 0,2 мм. Была разработана система адаптивного регулирования, оптимизирующая качество процесса сварки в режиме реального времени.

Проводилась попытка решить эту задачу с помощью прерывистой подачи сварочной проволоки, при этом длительность замыкания уменьшалась благодаря оттягиванию сварочной проволоки назад во время короткого замыкания. Таким образом, был достигнут процесс сварки с малым разбрызгиванием и ограниченной мощностью. К недостатку этого технологического решения можно отнести сложность технического решения, т.к. необходим двухтактный привод с 2-я двигателями высокой динамики для подачи сварочной проволоки, поэтому процесс подходит только для автоматической сварки и роботизированной сварки.

EWM-coldArc® – сварка с ограниченным тепловложением

Разработки компании EWM для процесса с малой мощностью без вмешательства в механизм подачи сварочной проволоки привели к созданию процесса, при котором воздействие на сварочную дугу оказывается исключительно источником питания. Этот процесс был назван- coldArc. При нем сварка осуществляется короткой дугой и как следствие характеризуется сменой циклов короткого замыкания и горения дуги. Т.к. напряжение при зажигании дуги является решающим фактором при сварке тонких листов, то оно оказывает решающее влияние на:

• динамику подвода энергии, то есть на фазу дуги,
• фазу короткого замыкания,
• зажигание дуги, рис. 2.

Изменение напряжения идентично изменению при стандартной сварке короткой дугой. Напряжение на дуге является задающим параметром при управлении силой тока.

Рис. 2 Переход металла, изменение напряжения и тока при coldArc

Поскольку напряжение является ведущим параметром, то его необходимо постоянно измерять, оценивать и соответствующим образом реагировать. Благодаря процессу обработки сигналов (DSP) можно резко уменьшить энергию дуги (за 1 мс до зажигания), рис.2. благодаря чему зажигание дуги пройдет без выплесков металла, мягко. Поскольку после зажигания дуги необходимо достаточное количество энергии для образования капли расплавленного металла на конце электрода, то на короткое время сила сварочного тока принудительно увеличивается источником питания. Получается так называемый импульс расплавления. После этого ток снижает до рабочего тока и начинается новая фаза.

Благодаря импульсу после каждого короткого замыкания на конце электродной проволоки образуется большая капля расплавленного металла, что ведет к плавному протеканию процесса и возможности работать в фазах между замыканиями с низкой силой сварочного тока. На рис. 3 показаны кадры высокоскоростного фильма, на которых изображен плавный переход металла в сварочную ванну и легкое зажигание дуги.

Рис. 3 Последовательность перехода металла при coldArc (высокоскоростная съёмка 8000 бит/с)

Что может EWM-coldArc®?

На рис. 4 изображено изменение мощности сварочной дуги при зажигании. Рисунок иллюстрирует преимущества coldArc в сравнении с обычной дуговой сваркой. Видно, что в момент зажигания сварочной дуги напряжение не просто ниже, а оно очень динамично, регулируемо падет и затем, после стабилизации дуги, импульсно повышается до заданного.

Такой процесс может применяться там, где нельзя применить стандартную сварку короткой дугой, например, в машиностроении.

На сегодняшний день толщина листа в автомобильной отрасли постоянно снижается и уже в некоторых случаях достигает 0,3 мм, поэтому становиться невозможным применение стандартной MIG/MAG сварки. Трудно выполнить качественный равномерный шов, если требуется перекрыть большой зазор. Это задача выполнима только для coldArc.

Рис. 4 Динамика напряжения при зажигании дуги coldArc

Уже давно для листов с покрытием используют не сварку, а дуговую пайку. Это позволяет сохранить цинковое покрытие, но могут возникнуть трудности при наличии воздушного зазора. Для решения этой задачи необходима сварка coldArc, которая позволяет перекрывать зазоры.

Спаянные вручную с использованием coldArc оцинкованные листы толщиной 0,8 мм с зазором 4 мм представлены на рис. 5. Дуговая пайка производилась на токе 50 А и напряжении 14,0 В проволокой 1,0 мм CuSi3. Пайка с медным припоем имеет точку плавления ≈ 1000 °C. По сравнению с MIG/MAG - сваркой, здесь в coldArc существенно снижена тепловая нагрузка на цинковое покрытие. Можно получить еще лучший результат, если пайка будет выполняться цинковым припоем – точка плавления ≈ 450 °C. Данный припой можно использовать, если сильно ограничить ток короткого напряжения и значительно снизить общий нагрев. Температура испарения сплава цинка и алюминия составляет ≈ 900 °C, что ниже температуры плавления CuSi₃.

Рис. 5 Ручная пайка coldArc оцинкованного листа толщиной 0,8 мм с зазором 4,0 мм проволокой 1,0 мм CuSi₃

Поэтому, если не снизить ток короткого замыкания, перемычки короткого замыкания будут взрывообразно испаряться и лёгкий металл шва будет сдуваться. Процесс сварки с помощью дуги coldArc позволил выполнить MIG/MAG пайку с цинковым припоем. На Рис. 6 показано нахлёсточное соединение оцинкованных листов толщиной 0,7 мм, спаянных этим тугоплавким припоем. Как видно на рисунке возле шва и с обратной стороны слой цинка полностью сохранился. В автомобилестроении все чаще применяются соединения стали и алюминия.

Рис. 6 Оцинкованные листы, соединение внахлёстку, пайка coldArc цинковой проволокой

Рис.7. Сварка соединений сталь/алюминий проволокой на основе цинка. Обзорный снимок, микрошлиф, дверь автомобиля

Стандартная сварка данных металлов невозможна, е.к. образуются хрупкие интерметаллические фазы Al-Fe, рис 8.

Рис. 8 Фазовая диаграмма «железо-алюминий»

Из диаграммы рис. 8 видно, что железо и алюминий не растворимы друг в друге. Это типично для любого соотношения компонентов фаз FeAl. Опыты показали, что необходимо ограничивать десятью процентами фазу Al-Fe в расплаве.

Применяя цинк в качестве проволоки, можно выполнять соединения «железо-алюминий», при этом алюминий частично расплавляется, а сталь требует увлажнения перед пайкой. Так возникает соединение, на одной стороне сварное, а на другой - паяное. На рис. 7 показан микрошлиф и снимок такого соединения, выполненного coldArc припоем из цинка.

Для сварки и пайки coldArc не требуется применение специальных горелок, можно пользоваться обычными горелками MIG/MAG.

Другое применение пайки и сварки coldArc на рис. 9-14.

Рис. 9 Оцинкованный стальной лист толщиной 0,7 мм, соединение внахлёстку, пайка coldArc проволокой из цинка диаметром 1,0 мм, скорость 0,35 м/мин., U=13,5В, I=40A

Рис. 10 Соединение сталь/алюминий, сталь оцинкованная 0,7 мм и AlMg 1,0 мм, соединение внахлёстку, пайка coldArc проволокой из цинка 1,0 мм, скорость 0,35 м/мин, U=13,5В, I=40A

Рис. 11 Соединение сталь/алюминий, сталь оцинкованная 0,7 мм и AlMg 1,0 мм, соединение внахлёстку, пайка coldArc проволокой AlSi5 скорость1,1 м/мин., U=14,5В, I=60A

Рис. 12 Лист стальной, 1,0 мм, стыковое соединение, зазор 1 мм, проволока G4Si1 1,0мм, сварка coldArc, скорость 2,0 м/мин., U=19В, I=136A

Рис. 13. AlMg3, 0,8 мм, соединение внахлёстку, проволока AlSi5 1,0 мм, сварка coldArc, скорость 1,2 м/мин., U=13В, I=55A

Рис. 14 CrNi, 0,5 мм, соединение внахлёстку, 0,8 мм проволока, сварка coldArc, скорость 2,0 м/мин., U=16,5В, I=90A

Видео-материалы по технологии сварки EWM-coldArc®

Рейтинг : / 13
неактуально: актуально