TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta strojní
Studijní program 2301 – Strojní inženýrství
Strojírenská technologie zaměření strojírenská metalurgie
Katedra strojírenské technologie Oddělení strojírenské metalurgie
Moderní technologie při automatickém svařování plechů metodou MAG.
Automated MAG-welding of thin plates using modern technologies.
Jindřich Horáček
KSP – SM – 559
Vedoucí DP: doc. Ing. Heinz Neumann, Csc. – TU v Liberci Konzultant DP: Ing. Baše Miroslav – Benteler ČR s.r.o., Chrastava
Rozsah práce a příloh:
Počet stran: 59 Počet tabulek: 13 Počet příloh: 4
Poděkování:
Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu mé diplomové práce doc. Ing. Heinzi Neumannovi, Csc. a konzultantovi Ing. Miroslavu Bašemu, za trpělivost, cenné rady a zkušenosti.
Děkuji panu M. Holanovi a G. Smolarczykovi ze společnosti SKS Welding Systems GmbH, a panu L. Fikarovi a V. Pavlíčkovi ze společnosti Fronius Česká republika s.r.o. za jejich čas, odbornou pomoc a spolupráci při zkouškách svařování a P. Kejzlarovi za odbornou pomoc při vypracování EDAX analýzy.
Na závěr bych chtěl poděkovat všem, kteří se větší či menší měrou podíleli na této diplomové práci a podporovali mě při jejím vypracování.
ANOTACE
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní
Katedra strojírenské technologie Oddělení strojírenské metalurgie
Studijní program: M2301 – Strojní inženýrství Diplomant: Jindřich Horáček
Téma práce: Moderní technologie při automatickém svařování plechů metodou MAG.
Automated MAG-welding of thin plates using modern technologies.
Číslo DP: KSP – SM – 559
Vedoucí DP: doc. Ing. Heinz Neumann, Csc. – TU v Liberci Konzultant: Ing. Baše Miroslav – Benteler ČR s.r.o., Chrastava
Abstrakt:
Tato diplomová práce se zabývá nasazením moderních metod pulzního svařování při automatickém svařování tenkých plechů metodou MAG.
V jednotlivých kapitolách, počínaje teoretickou částí jsou popsány základní fyzikální principy MIG/MAG svařování, přehled moderních metod pulzního svařování a vlastnosti svařovacích zdrojů. V praktické části diplomové práce je uveden podrobný popis jednotlivých zkoušek svařování, jejich metodika a dílčí výsledky. Závěrečná kapitola je věnována zevrubnému hodnocení, které definuje použitelnost jednotlivých technologií k vybraným účelům.
Klíčová slova:
CMT, KF-Puls, MAG svařování, Pulzní svařování, 22MnB5, EDAX analýza
Abstract:
This diploma thesis is focused on modern welding technologies in the sphere of automatic thin plates MAG welding. In the individual chapters starting with theoretical part are the basic physical principals of MIG/MAG welding, modern pulse-welding methods and power sources’ parameters described. In the practical part of this thesis you can find the complete description of welding tests, their procedures and individual results. The last chapter is dedicated to detailed evaluation of welding tests, which defines the use of individual technologies for chosen purposes.
Key words:
CMT, KF-Puls, MAG welding, Pulse welding, 22MnB5, EDAX Analysis
Místopřísežné prohlášení:
Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.
V Liberci, 28. května 2010
………
Jindřich Horáček Husova ul. 656 / 28 460 17 Liberec 1
Obsah:
Seznam použitých zkratek a symbolů ... 9
1) Úvod... 10
2) Teoretická část ... 12
2.1) Svařování elektrickým obloukem obecně... 12
2.2) Technologie svařování MIG / MAG a pulzní svařování ... 14
2.3) Moderní varianty pulzního svařování ... 15
2.3.1) SKS KF-Puls... 15
2.3.2) Fronius CMT ... 16
2.3.3) ESAB – Aristo SuperPulse, SAT... 19
2.4) Zdroje proudu pro svařování elektrickým obloukem ... 20
2.4.1) Požadavky na svařovací zdroje... 20
2.4.2) Technické parametry svařovacích zdrojů ... 21
2.5) Technologie kalení lisováním... 24
3) Experimentální část... 26
3.1) Zařízení použité při zkouškách svařování ... 26
3.1.1) Zdroje svařovacího proudu ... 27
3.1.2) SKS – FrontPull a ostatní příslušenství ... 29
3.1.3) Fronius – Robacta Drive a ostatní příslušenství ... 31
3.1.4) Vybavení laboratoří ... 32
3.2) Definice zkoušek svařování ... 34
3.2.1) Technologické podmínky svařování... 34
3.2.2) Hodnocení kvality svaru ... 35
3.2.3) Plán zkoušek svařování a jejich cíle ... 35
3.2.4) Zkoušené materiály... 37
3.2.5) Přípravek pro svařování plechu a trubky ... 37
3.3) Vlastní průběh zkoušek svařování ... 38
3.3.1) Nasazení v sériové výrobě ... 38
3.3.2) Svařitelnost v různých polohách... 39
3.3.3) Svařitelnost povlakovaných materiálů... 41
3.3.4) Deformace po svařování ... 45
3.4) Chemická analýza povrchové vrstvy pomocí elektronového mikroskopu ... 47
3.4.1) Bodová analýza povrchové vrstvy před a po zakalení... 47
3.4.2) Bodová analýza povrchové vrstvy a svarového kovu... 50
3.4.3) Liniová analýza povrchové vrstvy před a po zakalení... 51
3.4.3) Plošná analýza povrchové vrstvy před a po zakalení ... 52
4) Diskuze výsledků ... 53
5) Závěr ... 55
Seznam použitých zkratek a symbolů
A tažnost [%]
Ac3 eutektická teplota [°C]
d průměr [mm]
Imax maximální svařovací proud [A]
Is pracovní svařovací proud [A]
J proudová hustota [A·mm-2] lm velikost svařovací mezery [mm]
ls délka svaru [mm]
m hmotnost [kg]
Ms teplota martenzit start [°C]
Mf teplota martenzit finish [°C]
η zatěžovatel [%]
Pm výkon motoru [W]
Rm mez pevnosti v tahu []
vd rychlost podávání drátu [m·min-1] vs rychlost svařování [mm·s-1]
T teplota [°C]
tp tloušťka plechu [mm]
Up napájecí napětí [V]
UN normalizované napětí [V]
vok kritická rychlost ochlazování [°C / s]
1) Úvod
Cílem této diplomové práce je posouzení vhodnosti použití nových technologií a poznatků při automatickém svařování tenkých povlakovaných plechů metodou MAG za účelem výběru vhodné technologie pro budoucí použití ve firmě Benteler ČR s.r.o. (dále jen Benteler). Teoretická část diplomové práce obsahuje základní fyzikální a technické principy technologie svařování odtavující se elektrodou v ochranné atmosféře, přičemž zvláštní pozornost je věnována pulznímu svařování a jeho moderním metodám, které byly vybrány pro praktické testy.
Praktická část diplomové práce se zabývá stanovením technologických podmínek prováděných pokusů, jejich průběhem a vyhodnocením dosažených výsledků.
Při výběru technologií byla posuzována vhodnost použití pro tenké plechy, možnost redukce vneseného tepla při svařování a také inovace v technickém či softwarovém řešení daného svařovacího systému.
První vybranou technologií, která je přímo nabízena pro svařování tenkých plechů (od tp = 0,3 mm) a jejíž dodavatel deklaruje výraznou redukci vneseného tepla při svařování, je dnes velmi populární technologie CMT od firmy Fronius. Přínosem této technologie je svařování s minimálním počtem rozstřiků a dobré přemostění svařovací mezery, v praxi způsobené nepřesnými výlisky. Firma Fronius Česká republika s.r.o. (dále jen Fronius) je již dlouholetým partnerem firmy Benteler.
Dalšími dodavateli kompletních svařovacích systémů pro robotické MAG svařování jsou např. ESAB, Migatronic, nebo SKS Welding Systems GmbH.
Posledně jmenovaná firma SKS je v porovnání s ostatními spíše drobným rodinným podnikem, avšak díky spolehlivosti zařízení, jednoduchosti obsluhy a řadou inovací běžných svařovacích postupů může zdatně konkurovat i největším dodavatelům jako je např. firma Fronius.
V České republice téměř neznámá německá firma SKS oslovila firmu Benteler s nabídkou testování své nové technologie podávání drátu FrontPull společně s pulzním svařováním pomocí tzv. KF-Puls. Pulzní svařování KF-Puls je zajímavou softwarovou inovací pulzního svařování, která se vyznačuje využitím velmi krátkého oblouku, což přináší podobné výhody jako CMT, tedy menší
množství vneseného tepla, minimální množství rozstřiků a dobré přemosťování svařovací mezery.
Vzhledem k dobrým zkušenostem s firmou SKS v německých provozech firmy Benteler bylo rozhodnuto o výběru právě této malé firmy s velkým potenciálem, jejíž porovnání s firmou Fronius slibovalo novodobý souboj Davida s Goliášem.
Pro účely porovnání těchto dvou technologií byly vybrány nejobtížněji svařitelné materiály používané ve firmě Benteler. Současné požadavky automobilového průmyslu kladou vysoké nároky na kvalitu svarů, vysokou pevnost materiálu, ale také korozní odolnost svařenců. Právě kvůli korozní odolnosti se čím dál častěji používají materiály s povrchovou úpravou.
Základním testovaným materiálem je vysokopevnostní plech z manganbórové oceli s označením 22MnB5, válcovaný za tepla, který se používá pro výrobu nosníků nárazníků, různých výztuh, sloupků, prahů a jiných za tepla tvářených bezpečnostních dílů karoserie, u kterých jsou nutné dobré mechanické vlastnosti (např. Tvrdost, Mez pevnosti, Tažnost).
Speciální variantou tohoto materiálu je plech s povrchovou úpravou žárového hliníku a křemíku +AS150 s obchodním názvem Usibor 1500P. Povrchová vrstva hliníku má příznivé vlastnosti na korozní odolnost výrobků, avšak zásadně zhoršuje svařitelnost.
Posledním zkoušeným materiálem je velmi často používaný žárově pozinkovaný plech s označením DX54D +Z100MB. Povrchová úprava tohoto plechu také nepříznivě ovlivňuje svařitelnost. Význam označení jednotlivých materiálů a jejich mechanické vlastnosti jsou dále popsány v kapitole 3.2.4.
2) Teoretická část
V této části diplomové práce jsou uvedeny základní principy svařování elektrickým obloukem, způsoby zapalování oblouku, základní a přídavné materiály, ochranné plyny a zařízení využívané pro svařování. Zvláštní pozornost je věnována metodě svařování odtavující se elektrodou v ochranné atmosféře.
2.1) Svařování elektrickým obloukem obecně
Elektrický oblouk
Elektrický oblouk objevil v roce 1808 Angličan Humphry Davy. Jako zdroj vysokých teplot se začal elektrický oblouk využívat až na konci 19. století. Téměř současně s jeho využitím v osvětlovací technice byly vypracovány metody jeho využití ve svařování nejprve s uhlíkovou a posléze kovovou elektrodou.
Elektrický oblouk využitelný ve svařování je nízkonapěťový elektrický vysokotlaký výboj, který hoří v prostředí ionizovaného plynu. Stabilně hoří za předpokladu napětí dostatečného pro ionizaci daného prostředí a proudu udržujícího plazma oblouku v ionizovaném stavu.
Charakteristické znaky elektrického oblouku jsou:
• malý anodový úbytek napětí,
• malý potenciální rozdíl na elektrodách,
• proud v řádu desítek až tisíců ampér,
• velká proudová hustota katodové skvrny,
• intenzivní vyzařování světelného záření z elektrod i sloupce oblouku,
• intenzivní vyzařování UV záření.
Fyzikální a metalurgické děje probíhají v oblouku velmi rychle a za vysokých teplot. Tyto děje mají vliv na hoření oblouku a jsou ovlivňovány např. chemickým složením plazmatu, materiálem a tvarem elektrod, geometrickým uspořádáním nebo tepelnou vodivostí plazmatu, elektrody a základního materiálu.
Zapálení elektrického oblouku
Zapálení elektrického oblouku probíhá při napětí zdroje naprázdno, které bývá obvykle vyšší než při ustáleném hoření oblouku. Velikost zápalného napětí závisí na materiálu elektrod a ionizační schopnosti plynného prostředí.
Zapálení oblouku při svařování metodou MIG/MAG se provádí krátkodobým dotykem elektrody a základního materiálu při nastaveném zapalovacím proudu.
Dotykem elektrody se místo kontaktu ohřeje elektrickým odporem při zkratovém proudu na vysokou teplotu. Tím se zajistí termoemise primárních elektronů, které ionizují okolní plynné prostředí, čímž se vytvoří podmínky pro vedení elektrického proudu v plynu. Při oddalování elektrody dochází k rozvoji oblouku, zvyšuje se odtavování a odpaření části kovu dostatečné pro vznik stabilního sloupce oblouku.
Zapalování oblouku především u střídavého proudu je závislé také na ionizačním napětí par kovů, které jsou v prostoru mezi elektrodami. Ionizační napětí je napětí, kterým musíme urychlit elektron, aby byl schopen odtrhnout jiný elektron z valenční vrstvy daného prvku. Hodnoty ionizačního napětí vybraných prvků jsou uvedeny v tabulce 2.1. [1]
Tab. 2.1.1) Ionizační napětí vybraných prvků a sloučenin Název prvku Chemický vzorec Ionizační napětí [V]
Draslík K 4,3
Vápník Ca 6,1
Hliník Al 5,9
Železo Fe 7,8
Nikl Ni 7,6
Měď Cu 7,7
Wolfram W 8,1
Argon Ar 15,7
Oxid uhličitý CO2 13,7
Dusík K 15,5
Kyslík O2 12,2
Vodík H2 15,4
2.2) Technologie svařování MIG / MAG a pulzní svařování
Svařování metodou MIG / MAG je založeno na hoření oblouku mezi tavící se elektrodou ve formě drátu a základním materiálem v ochranné atmosféře inertního nebo aktivního plynu. Napájení drátu elektrickým proudem je realizováno pomocí třecího kontaktu mezi tzv. kontaktní špičkou a svařovacím drátem tak, aby elektricky zatížená délka drátu byla co nejkratší. Drát je podáván pomocí soustavy kladek umístěných v podavači drátu.
Proudová hustota je u svařování MAG nejvyšší ze všech obloukových metod a dosahuje hodnot až J = 600 A·mm-2, a svařovací proudy se pohybují od Is = 30A u svařování tenkých plechů drátem o průměru d = 0,6 ÷ 0,8 mm, až do Is = 800A u vysokovýkonných metod. Charakter přenosu kovu obloukem závisí na parametrech svařování a ochranném plynu.
Při svařování tenkých plechů nízkými proudy je typický zkratový přenos kovu, zatímco při svařování tlustších materiálů vyššími proudy je typický sprchový přenos a při vysokovýkonném svařování je dosahováno tzv. rotujícího oblouku.
Teplota kapek se při MAG svařování pohybuje v rozmezí t = 1700 ÷ 2500 °C a teplota tavné lázně se v závislosti na technologii, parametrech svařování a chemickém složení materiálu pohybuje v rozmezí t = 1600 ÷ 2100 °C. [1]
Pulzní svařování
Základem pulzního svařování je periodická změna svařovacího napětí Us a Is
proudu v závislosti na čase. Cílem změny parametrů je oddělení přesně jedné kapky roztaveného kovu za dobu jednoho pulzu. Pulzní svařování je výkonově zařazeno mezi zkratovým přenosem kovu (menší vnesené teplo) a sprchovým přenosem kovu (větší vnesené teplo).
S výhodou je kombinováno dvou různých typů pulzů, díky čemuž je možné plynule regulovat množství vneseného tepla. U různých výrobců svařovacích systémů je tato technologie označována různě (Fronius PowerPulse, Migatronic Quattro Pulse, atd). Pulzní svařování je také možné kombinovat se sprchovým přenosem kovu, případně s krátkým zkratovým obloukem).
2.3) Moderní varianty pulzního svařování
2.3.1) SKS KF-Puls
Technologie KF-Puls je speciální variantou pulzního svařování, která využívá přechodu z pulzního napětí do konstantního základního proudu (viz obr. 3.3.1).
Standardní pulzní svařování využívá modulace pouze jednoho svařovacího parametru (napětí – U-Puls, proud – I-Puls).
KF-Puls využívá modulace a ovládání obou svařovacích parametrů (napětí a proud). Prostřednictvím dynamického ovládání parametrů může být stanovena konstantní délka oblouku, která je automaticky udržována. Pomocí KF-Puls je vytvářen velmi krátký oblouk, který se vyznačuje velmi malými rozstřiky, menším vneseným teplem a dobrým přemosťováním mezery vzniklé např. nepřesnými výlisky.
pole
charakteristik
tP … čas pulzu
tG … čas základní
Obr. 2.3.1) I-t charakteristika KF-Pulzu
Z obrázku č. 2.3.1 je patrné, že KF-Puls umožňuje nastavení tzv. pole charakteristik, ve kterém se po celou dobu svařování parametry pohybují. Kromě napětí a proudu je možné měnit také čas pulzu, čas základního proudu, strmost přechodu z pulzního proudu do základního proudu a naopak. [2]
2.3.2) Fronius CMT
Název CMT je zkratkou pro anglický termín „Cold metal transfer“ tedy
„technologie studeného přenosu kovu“. Princip této technologie je založen na cyklické regulaci pohybu drátu směrem do svarové lázně a zpět. Dopředný pohyb drátu je ve chvíli odtavení kapky roztaveného kovu zatáhnut zpět od lázně. V praxi tak dochází k přerušování oblouku spojeném s pokládáním kapky roztaveného kovu přímo do lázně z nulové výšky (viz obr. 2.3.2). Celý cyklus probíhá s frekvencí f = 70 Hz.
Obr. 2.3.2) Princip technologie CMT
Hlavními výhodami technologie CMT je menší vnesené teplo, minimální rozstřik svarového kovu, dobré přemostění spáry a skvělá použitelnosti při pájení nesourodých materiálů. Při CMT procesu je dokonale mechanicky a elektronicky regulována délka oblouku a je udržován velmi krátký oblouk. V případě změny rychlosti svařování, nebo náhlé změny výletu drátu je délka oblouku stále stejná a díky tomu je zachována i kvalita svaru. Zapálení oblouku probíhá přibližně dvakrát rychleji než u běžného svařování metodou MAG. Počáteční natavení materiálu je tak velmi rychlé.
Kombinace CMT s pulzním svařováním
Vzhledem k malému množství vneseného tepla se objevuje problém při aplikaci na silnější plechy, kdy při použití standardní CMT technologie není dosaženo požadovaného závaru. Pro tyto účely se používá kombinace CMT s pulzním svařováním. Střídá se tak pokládání kapky do svarové lázně a odtažení drátu s klasickým pulzním přenosem. Podle potřebného natavení je mezi CMT pulzy zařazeno určité množství klasických pulzů (viz obr. 2.3.3).
Obr. 2.3.3) Ukázky svarů provedených pomocí CMT Puls CMT Navařování
Pomocí technologie CMT lze provádět také navařování, u kterého je požadováno minimální promíšení materiálu. Příklad navařování pomocí CMT a standardní technologií MAG je uveden níže (viz obr. 2.3.4 a tab. 3.3.1). Základním materiálem byla v tomto případě ocel P 265 GH a přídavným materiálem byl drát Nibas 625 o průměru d = 1,2 mm. Jako ochranný plyn byla použita směs 70% Ar + 30% He.
Obr. 2.3.4) Výbrusy tvrdonávaru zhotoveného pomocí CMT (vlevo) a MAG Tab. 2.3.1) Porovnání hodnoty promíšení materiálu
vrstva technologie promíšení kovů [%] tavný výkon [kg/h]
1. CMT 5,99 5,9
2. CMT 0,99 5,9
1. MAG 14,49 4,8
2. MAG 2,31 4,8
CMT Advanced
Proces CMT Advanced je softwarovým vylepšením stávající technologie CMT. Principem procesu CMT Advanced je střídání polarity elektrody a základního materiálu v přesně daných počtech pulzů. Při pozitivní polarizaci (+ na elektrodě jako u klasického CMT) dochází k prohřívání základního materiálu a odtavování menších kapek přídavného materiálu, naopak při negativní polarizaci dochází k odtavování větších kapek přídavného materiálu, které jsou pokládány do lázně, čímž dochází k lepšímu vyplňování svaru (viz obr. 2.3.5).
Obr. 2.3.5) Porovnání pozitivní a negativní polarizace ve fázi hoření oblouku (vlevo) a ve fázi pokládání kapky kovu do svarové lázně
Na obr. 2.3.6 je patrný průběh svařovacího proudu a napětí během jednoho cyklu skládajícího se ze dvou pulzů s pozitivní polarizací (EP fáze) a dvou pulzů s negativní polarizací (EN fáze). Pomocí CMT Advanced je možné přemostění proměnné svařovací mezery v rozmezí lm = 0 ÷ 2,5 mm beze změny parametrů či korekce polohy hořáku. [3]
Obr. 2.3.6) Průběh svařovacího proudu a napětí v závislosti na čase
+ - + -
2.3.3) ESAB – Aristo SuperPulse, SAT
Proces Aristo SuperPulse je zvláštní variantou pulzního svařování, která v sobě kombinuje vlastnosti několika různých režimů (dvojitý pulz, pulz + sprchový režim, pulz + krátký oblouk). Počet přenesených kapek přesně odpovídá počtu jednotlivých pulzů. Hlavní výhodou této technologie je pokrytí velkého rozsahu tloušťek svařovaných materiálů a tím nahrazení běžných svařovacích režimů (krátký oblouk, sprchový režim, pulzní režim). Regulací parametrů obou pulzů je možné poměrně přesně regulovat množství vneseného tepla. Z porovnání svarů provedených pomocí Aristo SuperPulse a standardním zkratovým režimem je patrné menší tepelné ovlivnění materiálu a přesto lepší závar při použití technologie Aristo Superpulse (viz obr. 2.3.7).
Obr. 2.3.7) Porovnání svarů provedených pomocí standardního zkratového MAG procesu (vlevo) a při použití technologie Aristo Superpulse.
Technologie SAT (z anglického „Swift Arc Transfer“) je vysoce výkonný svařovací proces, který kombinuje přídavný materiál OK AristoRod (bez povrchové vrstvy mědi) společně s vysokými svařovacími rychlostmi. Použití svařovacího drátu bez přídavku mědi má výhodu v tom, že systém podávání drátu není zanášen částečkami mědi, což napomáhá stabilizaci hoření oblouku při vyšších rychlostech podávání drátu (až vd = 30 m·min-1). [4]
2.4) Zdroje proudu pro svařování elektrickým obloukem
Zdroje svařovacího proudu dodávají elektrickou energii potřebnou pro zapálení a hoření elektrického oblouku, tzn., že dodávají do svařovacího obvodu elektrický proud požadovaných vlastností pro danou metodu svařování. [1]
2.4.1) Požadavky na svařovací zdroje
Na svařovací zdroje pro obloukové svařování jsou kladeny tyto požadavky:
• dobré zapalování oblouku a stabilní hoření oblouku,
• plynulá regulace svařovacího proudu,
• stálý výkon a vysoká účinnost,
• statická charakteristika musí odpovídat způsobu svařování,
• dynamická charakteristika musí zabezpečit po zkratu rychlý nárůst napětí,
• konstrukce musí zajistit bezpečnost provozu v souladu s platnými normami a předpisy,
• jednoduchá a nenáročná obsluha,
• vysoká provozní spolehlivost, snadná detekce závad a jejich rychlé odstranění,
• přiměřené pořizovací a nízké provozní náklady.
Obloukové svařovací zdroje musí vyhovovat požadavkům technologie svařování a bezpečnostním předpisům. Svařovací zdroje jsou stavěny pro jmenovité napájecí napětí fázové (230 V / 50 Hz) nebo napětí sdružené (400 V / 50 Hz), případně napětí třífázové (3 x 400 V / 50 Hz) elektrorozvodné spotřebitelské sítě.
Napětí naprázdno obloukových svařovacích zdrojů musí pro prostředí bez zvýšeného nebezpečí úrazu elektrickým proudem vyhovovat těmto požadavkům:
• u zdrojů stejnosměrného svařovacího proudu může být špičková hodnota napětí naprázdno maximálně 113 V,
• u zdrojů střídavého svařovacího proudu může být špičková hodnota napětí naprázdno maximálně 113 V a efektivní hodnota maximálně 80 V. [6]
2.4.2) Technické parametry svařovacích zdrojů Statická charakteristika zdroje
Statická charakteristika zdroje svařovacího proudu je křivka závislosti pracovního napětí zdroje na svařovacím proudu při ustáleném stavu a určitém nastavení regulačního stupně zdroje. Hodnoty charakteristiky se získají měřením napětí a proudu v elektrickém obvodu svařovacího proudu, do kterého je zapojen určitý spotřebič s regulovatelným elektrickým odporem. Krajní body zatěžovací statické charakteristiky zdroje jsou určeny dvěma stavy – stav naprázdno a stav nakrátko.
Při stavu naprázdno svařovacím obvodem neprotéká žádný proud a napětí zdroje je nejvyšší - napětí naprázdno. Se stoupajícím proudovým zatížením napětí na zdroji klesá. Při stavu nakrátko (kdy je elektroda v kontaktu se svařovaným materiálem) svařovacím obvodem protéká nejvyšší proud – proud nakrátko (zkratový proud) a napětí na zdroji je přibližně nulové.
Podle průběhu statické charakteristiky v okolí pracovního bodu, tzn. podle strmosti charakteristiky, se určují charakteristické vlastnosti svařovacích zdrojů:
• zdroje s konstantním proudem (tzv. měkké zdroje) se změnou napětí na oblouku vykazují pouze nepatrné změny svařovacího proudu, jejich zatěžovací charakteristika je strmá (viz obr. 2.4.1),
• zdroje s konstantním napětím (tzv. tvrdé zdroje) vykazují se zvyšováním svařovacího proudu pouze malé změny napětí zdroje, zatěžovací charakteristika těchto zdrojů je plochá (viz obr. 2.4.2),
• zdroje s konstantním výkonem (tzv. synergické) vykazují při rostoucím svařovacím proudu pokles napětí na zdroji takový, že jejich součin U · I (výkon P) je možno považovat za konstantní, mají charakteristiku mírně klesající (polostrmou charakteristiku).
Každý zdroj svařovacího proudu poskytuje v rámci tzv. regulačního rozsahu celý svazek statických zatěžovacích charakteristik. Nastavování jednotlivých aktuálních charakteristik nacházejících se mezi krajními zatěžovacími charakteristikami regulačního rozsahu lze realizovat buď stupňovitým nebo plynulým přepínáním. Normalizované napětí na oblouku je dáno polohou pracovního bodu nastavené zatěžovací charakteristiky určeného jako průsečík této charakteristiky s přímkou normalizovaných pracovních napětí dané rovnicí:
UN = 20 + 0,04·IS ( 2.1 )
UN … normalizované napětí na oblouku [V]
IS … pracovní svařovací proud [A]
Obr. 2.4.1) Strmá charakteristika zdroje Obr. 2.4.2) Plochá charakteristika zdroje
Dynamická charakteristika zdroje
Dynamická charakteristika zdroje svařovacího proudu udává přechodové hodnoty napětí a proudu při rychlých změnách v průběhu svařování (např. při zapalování oblouku, při zkratu, přerušení zkratu apod.).
Pro svařovací zdroje jsou důležité dynamické charakteristiky, které zachycují časové závislosti proudu a napětí při cyklu „naprázdno – zkrat – naprázdno“, popřípadě „zatížení – zkrat – zatížení“, přičemž se posuzuje strmost počátečního proudu a vyjadřuje se v kA·s-1. Pro dosažení optimálního procesu musí být dynamická strmost ve zcela určitém rozsahu, přičemž především zkratový proces je velmi citlivý na dodržení dynamické strmosti.
Při zkratovém (kapkovém) přenosu materiálu se zatížení svařovacího zdroje mění velmi rychle v důsledku obloukem přenášených kapek z elektrody do lázně svarového kovu. Každá kapka roztaveného kovu způsobuje elektrický zkrat, při kterém dojde k poklesu napětí téměř na U = 0 V a nárůstu proudu přes přechodovou hodnotu na ustálenou hodnotu Iz, která je úměrná délce oblouku. Po fázi zkratu následuje ustálení hodnot napětí a proudu na svařovací hodnoty (viz obr. 2.4.3).
Tvar dynamické charakteristiky má význam především pro zapalování oblouku, přenos svarového kovu obloukem a rozstřik svarového kovu. [1]
Obr. 2.4.3) Dynamická charakteristika zdroje při zapalování oblouku
2.5) Technologie kalení lisováním
Technologie kalení lisováním využívá vlastností vysokopevnostních ocelí.
Jedná se o mangan-bórové oceli s označením 22MnB5 (Obsah legujících prvků je uveden v tab. 2.5.1). Podle výrobců polotovaru se tyto oceli označují různě (např.
ThyssenKrupp MBW, ArcelorMittal Usibor 1500P, Benteler BTR165). Tyto oceli jsou vyráběny buď bez povrchové úpravy, nebo jsou opatřeny povrchem žárového hliníku a křemíku, který má za úkol ochránit povrch plechu proti oxidaci a oduhličení při tepelném zpracování. Hlavním důvodem použití těchto vysokopevnostních ocelí je snížení spotřeby paliva a emisí a zvýšení bezpečnosti cestujících, což je dosahováno příznivým poměrem pevnosti a hmotnosti.
Tab. 2.5.1) Obsah legujících prvků v oceli 22MnB5
Legující prvek C Si Mn B
% 0,22 ÷ 0,25 0,25 ÷ 0,35 1,2 ÷ 1,4 0,005
V první fázi je plechový výstřižek založen na válečkový dopravník, vedoucí přes austenitizační pec, ve které probíhá přeměna feritu na austenit při teplotě mírně nad Ac3 (850 ÷ 950 °C). Ferit má kubickou stereocentrickou mřížkovou strukturu a naproti tomu austenit má kubickou planicentrickou mřížkovou strukturu, díky čemuž má vyšší tažnost.
Pomocí manipulátoru je předehřátý výstřižek založen do speciálního, vodou chlazeného nástroje upnutého do hydraulického lisu. Díl je vylisován do tvaru nástroje během několika sekund. Beran lisu setrvá v dolní poloze a v zavřeném lisovacím nástroji při poklesu teploty pod Mf proběhne přeměna austenitu na martenzit. Martenzit má proti austenitu tetragonální stereocentrickou mřížku. Pro úplnou martenzitickou přeměnu je nutné docílit dostatečně rychlého ochlazení materiálu (musí být překročena kritická ochlazovací rychlost vok). V případě, že není překročena kritická ochlazovací rychlost, vzniká ve výsledné struktuře ferit, bainit nebo perlit, což má negativní vliv na výslednou pevnost a tvrdost.
Teploty Ac3, Ms, Mf a kritická rychlost vok jsou výrazně ovlivněny obsahem uhlíku a určují se pomocí diagramu rozpadu austenitu. Pro ocel 22MnB5 jsou v tomto diagramu stanoveny následující hodnoty:
Ac3 ≈ 800 °C Ms ≈ 390 °C Vok> 27 °C·s-1 Mf ≈ 190°C
U takto vyrobených výlisků je dosahováno pevnosti v tahu Rm = 1500 ÷ 1700 MPa. Tyto výlisky z vysokopevnostních ocelí se používají především pro výrobu nosníků a výztuh nárazníků, sloupků, výztuhy dveří, výztuhy střech, apod.
Obr. 2.5.1) IRA diagram austenitické oceli
Další variantou použití tohoto procesu je tzv. parciální kalení („Tailored Tempering“). Pomocí této varianty je možné dosáhnout různé hodnoty pevnosti v různých částech výlisku. Např. ve spodní třetině B-sloupku je možné dosáhnout pevnosti v tahu Rm = 600 MPa a tažnost A = 17 %. Zbylá část B-sloupku má běžně pevnost Rm = 1500 MPa. Díky tomuto procesu odpadá nutnost výroby takovéto součásti pomocí odděleného lisování dvou dílů a následného svařování. Díl je
3) Experimentální část
Cílem experimentů bylo jednoznačné určení vhodnosti jednotlivých technologií pro zvolené účely, tedy kvalitní bezrozstřikové svařování různých materiálů v různých podmínkách. Byl kladen důraz na porovnatelnost výsledků z obou vybraných firem (SKS a Fronius) a mezi technologiemi navzájem.
Podstatou zkoušek svařování bylo simulování reálných podmínek ze sériové výroby (např. povlakované materiály, svařování v poloze PG, nebo svařování s mezerou mezi svařovanými díly). Pro tyto účely bylo stanoveno 5 základních typů zkoušek (viz kap 3.2.3):
- Svařování plechů v různých polohách
- Svařování povlakovaných plechů v poloze PA (PB) - Přemostění svařovací mezery
- Deformace po svařování - Nasazení v sériové výrobě
Dále je v této části diplomové práce podrobně popsáno zařízení použité pro zkoušky svařování, jejich metodika a dílčí výsledky jednotlivých částí.
3.1) Zařízení použité při zkouškách svařování
V nadcházející kapitole je uveden technický popis použitého zařízení v laboratořích firem SKS a Fronius. Je zde uveden podrobný popis technických parametrů svařovacích zdrojů LSQ5 a TPS4000, podavače drátu FrontPull, svařovací hlavy RobactaDrive CMT a dalších periferií potřebných pro automatické svařování.
3.1.1) Zdroje svařovacího proudu Stejnosměrný svařovací zdroj LSQ5
Svařovací zdroj LSQ5 je vybaven technologií DCT (Direct Control Technology), která umožňuje ovládání spínaní transistorů bez fixní frekvence procesoru (jak je tomu u běžných invertorových zdrojů) a přizpůsobuje se tak aktuálně svařovacímu procesu. Bez prodlevy tak dodává dostatek energie potřebné ke svařování. Dolaďění výstupní charakteristiky proudu je řízeno centrálním procesorem (CPU). Centrální procesor sleduje plynule svařovací parametry a přizpůsobuje jim spínání tranzistorů. Tato schopnost má za následek vysokou účinnost a hlavně malou emisi tepla svařovacího zdroje.
Díky nízké emisi tepla ze svařovacího zdroje je tento zdroj chlazen pouze vzduchem. Jeho konstrukce je navržena tak, aby všechny zahřívající se komponenty byly co nejblíže zadní stěně zdroje, na které je umístěn externí chladič z hliníkové slitiny se čtyřmi ventilátory. Chlazení vzduchem je velmi nenáročné na údržbu a je čištěno obsluhou ofukem tlakového vzduchu. Vnitřní prostor svařovacího zdroje je tak hermeticky uzavřen a díky tomu chráněn proti nečistotám. Velkou výhodou tohoto zdroje je univerzálnost použití pro různé technologie (MIG/MAG, TIG, Plasma/TIG, Tandem). [2]
Svařovací zdroj Transpuls Synergic 4000 CMT
Tento svařovací zdroj je plně digitalizován a je řízen mikroprocesorem.
Označení „4000“ udává maximální svařovací proud Imax = 400 A. Zdroj umožňuje více možností zapalování a startu svařovacího procesu, např. při konvenčním startu jsou zapalovací parametry přesně přizpůsobeny průměru a kvalitě drátu. Výsledkem je klidný a hladký průběh zapálení oblouku. Na konci svaru uvolní řízený proudový impulz natavenou kapku, čímž se zabrání nežádoucímu vytvoření kuličky.
Další možnou variantou zapalování je SFI, díky kterému je ve spojení s hořákem typu Robacta Drive možné docílit bezrozstřikový začátek svaru. Při zapalování oblouku metodou SFI je svařovací drát nejprve přiblížen k materiálu pro vyvolání počátečního zkratu, následně je drát zatažen zpět, inicializován elektrický oblouk, upravena délka oblouku a následně zahájen pulzní svařovací proces.
Díky digitálnímu řízení je v pulzním režimu svařování docíleno uvolňování pouze jedné kapky přídavného materiálu za jeden pulz, což má pozitivní vliv na snížení tvorby rozstřiků. Výhodou tohoto zdroje je možnost použití pro různé technologie (MIG/MAG, CMT, Puls, TIG). Tento svařovací zdroj je také vybaven funkcí SyncroPuls, při které je normální pulz překryt ještě jedním nízkofrekvenčním pulzem, díky čemuž je zvýšena kvalita svarového spoje a také výrazně vylepšen optický vzhled svaru.
Vysokým požadavkům na pracovní prostředí svařovacího zdroje je přizpůsobena konstrukce (viz obr. 3.1.1), která je velmi robustní a má dobrou ergonomii. Menší nevýhodou je chlazení svařovacího zdroje vzduchem, který je přes filtr nasáván přímo do jeho útrob. Při dlouhodobé práci v prašném prostředí se filtr ucpává a zdroj se přehřívá, čímž se snižuje jeho zatěžovací faktor a dochází ojediněle i k poruchám. [3]
Tab. 3.1.1) Parametry svařovacích zdrojů
Parametr SKS LSQ5 Fronius TPS 4000
Maximální svařovací proud: 420 400
Zatěžovatel při max. proudu: η [%] 60 %* 88%
Hmotnost: m [kg] 49 35,2
Napájecí napětí: Up [V] 3 x 400 3 x 400
* při teplotě okolí T = 40 °C
Obr. 3.1.1) Svařovací zdroj SKS LSQ5 (vlevo) a Fronius TPS 4000
3.1.2) SKS – FrontPull a ostatní příslušenství Systém FrontPull
Systém FrontPull nahrazuje klasický podavač drátu, který je umístěn ve třetí ose robotu. Díky integraci podavače drátu do jedné sestavy společně s hořákem se podavač posune blíže k místu svaru a to až na šestou osu robotu. Kratší vzdálenost podavače drátu od svaru má za následek odpadnutí problémů se synchronizací pohonu podavače se svařovacím zdrojem a zvýšenou spolehlivost.
Další velkou výhodou tohoto systému je minimální kontrakce drátu mezi podavačem a svarovou lázní. Tato výhoda se uplatňuje zejména při svařování hliníkových a jiných měkkých slitin, kde je používán přídavný materiál s nízkou pevností a tudíž náchylný k zadrhnutí drátu v bofdenu mezi podavačem a hořákem.
Obr. 3.1.2) Systém FrontPull
Další výhodou systému FrontPull je jeho konstrukce, která vychází ze standardního podavače drátu PF5, díky čemuž je většina komponent zaměnitelná a tudíž klesá počet náhradních dílů při použití různých technologických řešení v jednom závodě.
Menší nevýhodou systému FrontPull je vyšší hmotnost (3,2 kg), než je hmotnost standardního hořáku. Po sečtení celkové hmotnosti hořáku s podavačem, kolizním spínačem a kabelovým svazkem se tak celková hmotnost systému pohybuje mírně přes 6 kg. Většina svařovacích pracovišť ve firmě Benteler je osazena roboty právě s nosností 6 kg. Systém FrontPull je tak na hraně možností těchto robotů.
Řídicí jednotka Q8pw a Q8pt
Tato řídicí jednotka je určena pro všechny technologie dodávané firmou SKS, tedy pro všechny procesy, které zvládá zdroj LSQ5. Kromě standardních sběrnic (RS 232, SPS-Bus) nabízí také připojení pomocí USB Portu a síťové rozhraní pro Ethernet.
Obr. 3.1.3) Řídicí jednotka Q8pw a Q8pt (vpravo)
Veškerá data zaznamenaná řídicí jednotkou mohou být automaticky sledována a zaznamenána na kterémkoliv PC připojeném do firemní sítě. Stejně tak mohou být měněny parametry na PC připojeném přímo k této řídicí jednotce. Data ze svařovacích stanic tak mohou být současně shromažďována na jednom firemním serveru připojeným do firemní sítě LAN. Tato schopnost je označována jako NWDE (Network Welder Data Exchange).
Sledované parametry při svařování:
• svařovací proud,
• zapalování oblouku,
• proud odebíraný motorem podavače drátu,
• průtok ochranného plynu,
• průtok chladící vody (při použití vodou chlazeného hořáku).
Kromě standardních programů obsahuje tato řídicí jednotka také zvláštní programy pro zapálení oblouku nebo vyplňování kráteru na konci svaru. Kapacita této řídicí jednotky je 966 různých svařovacích programů.
Software Q8
Softwaru Q8 slouží k přesnému sledování svařovacího procesu. Uživatel na PC může ukládat podrobný průběh procesu (numericky i graficky) a měnit svařovací parametry. Standardním ethernet-konektorem komunikuje PC s řídicí jednotkou Q8pw/t, díky čemuž je možné přímé ukládání nových svařovacích parametrů do řídicí jednotky nebo sledování aktuálního procesu.
Softwarem Q8 je možné připojit všechny řídicí jednotky Q8pw/t do firemní ethernet sítě a sledovat a ukládat všechny svařovací parametry z celého závodu.
Program vytváří centrální záložní databázi všech přístupů uživatelů, změn parametrů a průběhů procesů (zpětná sledovatelnost), takže je možné vypátrat jakýkoliv zásah do parametrů nebo příčinu vzniku vady svaru. [2]
3.1.3) Fronius – Robacta Drive a ostatní příslušenství Fronius Robacta Drive CMT
Proces CMT je umožněn speciální zařízením zvaném Robacta Drive CMT, které je součástí hořáku. Tento hořák obsahuje kromě standartních komponentů ještě sestavu dvou kladek (viz obr. 3.1.4), z nichž jedna je přímo poháněna střídavým servomotorem a druhá slouží jako přítlak drátu. Motorem poháněná kladka se pootáčí pouze v rozmezí cca 30°, čímž zajišťuje kmitavý pohyb drátu.
Obr. 3.1.4) Robacta Drive CMT a detail kladky pro zpětný pohyb drátu Aby nedocházelo ke střídavému napínání a hromadění drátu v bofdenu, je mezi podavač drátu a hořák zařazeno kompenzační zařízení – tzv. Absorbér (viz obr. 3.1.5), který kompenzuje přebytek drátu způsobený zpětným pohybem.
Obr. 3.1.5) Absorbér
Podavač drátu Fronius VR 7000 CMT
Pro podávání drátu byl použit podavač VR 7000 CMT (viz obr. 3.1.6), který je určen pro cívky typu D300/K300 a disponuje rychlostí podávání drátu v rozsahu vd = 0 ÷ 30 m.min-1. Tento podavač drátu také obsahuje programové vybavení pro synchronizaci pohonu podavače s Robacta Drive, která je nezbytná pro proces CMT.
[3]
Obr. 3.1.6) Podavač drátu VR 7000 CMT 3.1.4) Vybavení laboratoří
SKS – Laboratoř v Landstuhlu
V laboratořích firmy SKS byl k dispozici průmyslový robot značky Motoman Robotec, vybavený univerzálním polohovacím stolem, podavačem drátu FrontPull, svařovací zdroj LSQ5 s řídicí jednotkou Q8pt. Řídicí jednotka byla přímo připojena pomocí síťového kabelu k PC, na kterém probíhaly úpravy svařovacích parametrů a současně záznam jejich změn v průběhu svařování.
K řezání svarů byla použita laboratorní kotoučová pila, případně pásová pila.
Vzorky byly broušeny na hrubo na pásové brusce a následně broušeny na čisto na laboratorní brusce Struers. Vzorky byly leptány v kyselině dusičné a následně
omývány lihem. K hodnocení svarů byl použit optický mikroskop, vybavený CCD kamerou, připojený přímo k PC (viz obrazová příloha č. 2).
Fronius – Technologické centrum v Jihlavě
Zkoušky svařování probíhaly v technologickém centru firmy Fronius v Jihlavě. K dispozici byl robot ABB IRB 1600 s univerzálním polohovacím stolem, svařovací zdroj TPS 4000, Podavač drátu VR 7000 a Robacta Drive CMT (viz obr. 3.1.7).
Obr. 3.1.7) Motoman Robotec (vlevo) a ABB IRB 1600 s polohovacími stoly K řezání svarů byla použita laboratorní kotoučová pila, případně pásová pila.
Vzorky byly broušeny na hrubo na pásové brusce a následně broušeny na čisto na laboratorní brusce Struers. Vzorky byly leptány v kyselině dusičné a následně omývány lihem. K vyhodnocení svarů byl použit optický mikroskop, vybavený CCD kamerou, připojený přímo k PC (viz obrazová příloha č. 2).
3.2) Definice zkoušek svařování
Cílem testů svařování v obou firmách bylo prokázat vhodnost jednotlivých technologií pro použití ve firmě Benteler a celkově v automobilovém průmyslu.
Záměrně byly vybrány zkoušky svařování, které nejlépe simulují skutečnou průmyslovou praxi a její specifické požadavky.
3.2.1) Technologické podmínky svařování
Pro všechny zkoušky byly předem zvoleny svařovací parametry tak, aby se co nejvíce přiblížily parametrům používaným ve firmě Benteler.
Rychlost svařování
Průměrná rychlost svařování ve firmě Benteler je vs = 11,7 mm·s-1 a tato hodnota rychlosti byla zvolena jako pevný parametr pro všechny zkoušky svařování.
Ochranný plyn:
Pro testy ve firmě Fronius byla obstarána lahev se směsným plynem 85% Ar + 15% CO2. Tato koncentrace je standardní pro použití ve všech závodech firmy Benteler při svařování metodou MAG a tento směsný plyn je centrálně rozváděn od směšovače. Pro testy svařování ve firmě SKS se nepodařilo zajistit láhev se stejným směsným poměrem a byl proto vybrán ochranný plyn s podobným účinkem avšak běžně dostupný a to 90% Ar + 10% CO2.
Přídavný materiál
Jako přídavný materiál byl zvolen nejpoužívanější drát G3Si1 (OK Autrod 12.56 dle označení výrobce – ESAB) o průměru d = 1 mm. Tento poměděný drát je určen pro svařování většiny běžných nelegovaných a nízkolegovaných ocelí. [7]
3.2.2) Hodnocení kvality svaru
Jako hlavní hodnotící kriterium pro kvalitu svaru byla zvolena hodnota hloubky závaru, přičemž minimální hodnota pro kvalitní svar byla stanovena běžná hodnota hz = 0,2 mm. Svary, u kterých byla změřena hodnota závaru nižší než stanovené minimum, avšak bylo zřetelné alespoň minimální promíšení materiálu byly považovány za dostatečné. Další sledovanou vlastností svaru byla přítomnost pórů nebo vrubu na hraně svaru (tzv. zápaly). Pro účely hodnocení kvality svaru byly ze svařených vzorků zhotoveny metalografické výbrusy a uspořádány do hodnotící tabulky (viz elektronická příloha DP).
3.2.3) Plán zkoušek svařování a jejich cíle Zkoušky svařitelnosti v jednotlivých polohách
Ve firmě Benteler se veškeré obloukové svařování řídí interní směrnicí, která dovoluje svařování pouze v polohách PA, PB, PG do 30° a PF do 15°. Díky tomuto omezení je nutné investovat nemalé finance do polohovacích zařízení, které umožňují svařování všech svarů na sestavě v dovolených polohách. Toto omezení má kromě investic za následek zvýšení strojního taktu a tudíž snížení produktivity práce. Kdyby se podařilo prokázat, že automatické svařování v poloze PG (vertikálně směrem dolů) je naprosto bezproblémové, bylo by možné interní směrnici změnit nebo alespoň získat výjimku.
Zkoušky svařitelnosti povlakovaných materiálů
V současné době je kladen velký důraz na korozní odolnost jednotlivých částí karoserie, proto jsou ve stále větší míře používány plechy s povrchovou úpravou.
Jednotlivé druhy povrchových úprav působí většinou problémy při obloukovém svařování. Cílem těchto zkoušek bylo ověření svařitelnosti povlakovaných materiálů a zlepšení svařitelnosti užitím moderních technologií obloukového svařování.
Zkoušky plastických deformací po svařování
Při obloukovém svařování tenkých plechů dochází v důsledku vneseného tepla do svařence k plastickým deformacím, které mají za následek snížení rozměrové přesnosti výrobků. Plastické deformace jsou výraznější u výlisků, které byly vyrobeny technologií lisování za studena. Nahromaděné vnitřní pnutí je částečně uvolněno při zahřátí výlisku v důsledku svařování.
Pro zachování rozměrové přesnosti výrobků přichází v úvahu několik možností. První možností je plastické deformace po svařování předpovídat a upravit tvar výlisku, přidat prolisy, nebo jinak technologicky upravit vstupní díly. Vzhledem ke složitosti dílů a dynamice šíření tepla ve svařenci by bylo velmi komplikované simulovat plastické deformace pomocí počítače. Ve skutečnosti se tak musí vycházet z reálné praxe a z výsledků prvního svařování. Tento způsob je náročný časově i finančně, neboť je nutné dodatečně upravovat lisovací nástroje.
Druhou možností je snížení vneseného tepla do svařence využitím moderních metod pulzního svařování. V současné době je ve firmě Benteler používáno svařování zkratem i svařování v pulzním režimu zhruba ve stejné míře. Většinou je jeden svařenec vyroben pomocí obou metod. Cílem této části zkoušek bylo prokázání menšího vneseného tepla (a tím i snížení deformací) při použití technologie CMT a KF-Puls ve srovnání s klasickým zkratovým přenosem kovu.
Zkoušky přemostění svařovací mezery
V průmyslové praxi je nutné počítat s plným využitím tolerančního pole na okrajích výlisku, které má za následek různorodou svařovací mezeru mezi dvěma díly. Svařovací mezera se často liší v řádech desetin milimetrů v různých výrobních dávkách. V případě příliš velké svařovací spáry dochází často k průpalům, nebo nedokonalému spojení dvou dílů. V některých případech se mohou svary ručně opravovat, ale v některých je svar neopravitelný. Cílem zkoušky přemostění je určení praktické maximální hodnoty svařovací spáry, kterou je svar ještě schopen přemostit při zachování kvality svaru a bez korekcí svařovacích parametrů a trajektorie hořáku.
3.2.4) Zkoušené materiály
Plechy:
22MnB5 +AS150 (tp = 2,0 mm)
• plech z vysokopevnostní manganbórové oceli pro tváření za tepla
• s žárovou povrchovou vrstvou Al a Si 22MnB5 (tp = 1,1 mm a 2,0 mm)
• plech z vysokopevnostní manganbórové oceli pro tváření za tepla
• bez povrchové úpravy DX54D +Z100MB (tp = 1,0 mm)
• plech z běžné nízkouhlíkové oceli pro tváření za studena
• s difúzní povrchovou vrstvou Zn
Trubky:
S235JR (d = 52 mm a tp = 1,5 mm)
• trubka z běžné nízkouhlíkové nelegované konstrukční oceli
• dobrá svařitelnost
Zkušební vzorky plechu byly zhotoveny o rozměrech 220 x 50 x tp a vzorky trubek o délce l = 780 mm a tp = 1,5 mm, kde písmeno tp označuje tloušťku plechu.
3.2.5) Přípravek pro svařování plechu a trubky
Pro zkoušky deformací po svařování a přemostění svařovací mezery byl zkonstruován a vyroben jednoduchý přípravek. Podmínkou konstrukce přípravku bylo použití standardních polotovarů, jako jsou ploché tyče, U-profil, V-profil apod.
Pro upínaní vzorků byly použity standardní ruční upínky od firmy De-sta-co.
Pro seřizování přípravku jsem použil tzv. „hřebínkových“ podložek, které se standardně používají ve firmě Benteler pro seřizování svařovacích přípravků. Tyto podložky umožňují jemné seřízení přípravku ve všech osách souřadného systému.
K dispozici byly podložky od tloušťky tp = 0,1 mm do tp = 2 mm. Výkresová dokumentace k přípravku je v příloze č. 3.
3.3) Vlastní průběh zkoušek svařování
V následujících kapitolách je popsán průběh a technologické podmínky jednotlivých testů, postup hledání optimálních svařovacích parametrů, průběh vlastních svařovacích procesů a prvotní vizuální hodnocení kvality provedených svarů.
3.3.1) Nasazení v sériové výrobě
Systém Front-Pull s technologií KF-Puls byl nasazen ve výrobě na projektu BMW PL2 Centrální trubka – nosník kokpitu a to na poslední operaci svařování konečné sestavy. Tento projekt je specifický velkým množstvím krátkých svarů, tudíž i velkým množství zapalování a zhasínání oblouku.
Kompletní zařízení od firmy SKS, včetně svařovacího zdroje, podavače drátu a řídicí jednotky, bylo nainstalováno na jednom robotu Kuka KR-6. Na druhém robotu ve svařovací stanici bylo ponecháno standardní zařízení od firmy Fronius (bez CMT). Kompletní instalace nového zařízení včetně korekce programů trvala pouze jednu směnu. Obě zařízení tak paradoxně fungovala v tandemu v jedné svařovací stanici na jednom produktu (viz obr. 3.3.1). Námi sledovaný faktor byla spolehlivost zařízení a spotřeba náhradních dílů.
Obr. 3.3.1) Nasazení systému Frontpull v praxi na projektu PL2
Na základě destrukčních zkoušek svarů (metalografických výbrusů) bylo zjištěno, že všechny svary provedené pomocí KF-Puls byly vyhovující i bez výraznějších korekcí a proto byla technologie KF-Puls uvolněna pro použití na daném projektu.
3.3.2) Svařitelnost v různých polohách
Svařování v polohách bylo realizováno pomocí univerzálního polohovadla a jednoduchého upínacího přípravku pro svařování plechů pomocí přeplátovaných nebo koutových svarů (viz obr. 3.3.2). Zpočátku testů bylo nutné nalézt vhodné svařovací parametry pro daný materiál a příslušnou tloušťku plechu. Hledání optimálních parametrů bylo prováděno v základní (vodorovné) poloze. Při svařování přeplátovaných plechů byl udržován úhel natočení hořáku 8° vzhledem k svislé rovině svaru a standardních 15° vzhledem k rovině kolmé na svarovou housenku.
Obr. 3.3.2) Svařování vzorků v poloze 45° a 90°
Přeplátované svary byly prováděny na plechách 22MnB5 bez povrchové úpravy o tloušťce tp = 1,1 mm. Po upnutí prvního vzorku do univerzálního přípravku byla naprogramována dráha hořáku a po několika vzorcích byly vyladěny ideální svařovací parametry v kombinaci s předem definovanou rychlostí svařování vs = 11,7 mm·s-1. Na vzorcích byl patrný rozdíl v tepelně ovlivněné oblasti, která byla u svarů provedených pomocí KF-Puls znatelně menší (viz obr. 3.3.3), stejně tak bylo možné pozorovat výrazně menší tepelně ovlivněnou oblast při svařování pomocí CMT. Při všech režimech (CMT, KF-Puls, Zkrat) nebyly zaznamenány žádné průpaly, svary byly pohledově velmi kvalitní s minimálním počtem rozstřiků, přičemž svařování pomocí KF-Puls bylo v podstatě úplně bez rozstřiků stejně tak jako se CMT.
Při svařování v poloze PG byla ve firmě SKS navíc zkoušena různá rychlost = cca 8,4 ÷ 20,4 mm·s-1
v poloze PG byla stanovena na vs = 20,4 mm·s-1, naopak při rychlosti vs = 8,4 mm·s-1 se projevoval efekt tzv. „tečení“ svarové lázně vlivem gravitace.
Obr. 3.3.3) Porovnání svaru vytvořeného pomocí KF-Puls (vlevo) a zkratem
Obr. 3.3.4) Svary provedené v polohách 0° (vlevo), 45° (uprostřed) a 90° - Zkrat
Obr. 3.3.5) Svary provedené v polohách 0° (vlevo), 45° (uprostřed) a 90° - KF-Puls
3.3.3) Svařitelnost povlakovaných materiálů 22MnB5 (tp = 2,2 mm) a DX54D +Z100MB (tp = 1 mm)
Svařování povlakovaných materiálů probíhalo v poloze PA u přeplátovaných svarů a PB u koutových svarů. Při prvním pokusu (parametry zachovány z předchozího testu v polohách) byl zaznamenám výrazný nárůst rozstřiků při svařování zkratem a svar na straně pozinkovaného plechu byl na mnoha místech přerušen průpalem, nebo výraznými povrchovými póry.
Při svařování pomocí KF-Puls byl rozstřik svarového kovu stále velmi nízký a výskyt pórů minimální. Závar v základním materiálu byl však lepší u svarů provedených zkratem. Pro odstranění těchto vad byla zvýšena rychlost podávání drátu u zkratového režimu a u KF-Puls zvýšena doba základního proudu, čímž se zkrátila délka oblouku. Po zvýšení rychlosti podávání drátu se podařilo u zkratového režimu dosáhnout kvalitního svaru, zatímco u KF-Puls byla ještě provedena korekce doby počátečního vyplnění svaru a konečného vyplnění kráteru svaru (hořák setrvává déle v počáteční respektive koncové poloze). Po provedení uvedených korekcí svařovacích parametrů bylo dosaženo kvalitního svaru pomocí obou režimů (viz obr. 3.3.7).
Obr. 3.3.7) Svary 22MnB5 a DX54D +Z100MB v režimu zkrat (vlevo), KF-Puls (uprostřed) a CMT
Při svařování pomocí CMT byl rozstřik svarového kovu minimální a nebylo nutné provádět žádné výraznější korekce svařovacích parametrů. Po zhotovení metalografických výbrusů však byl odhalen u poloviny vzorků vnitřní pór (viz obr. 3.3.11). Závar byl ve všech případech dostatečný.
2x DX54D +Z100MB (tp = 1,0 mm)
Při svařování dvou pozinkovaných plechů DX54D +Z100MB (tp = 1,0 mm) byl zaznamenán zvýšený počet rozstřiků i v režimu KF-Puls, ale svar byl kvalitní a nebylo nutné provádět žádné další korekce. Při svařování v režimu zkratu byl základní materiál téměř v celé délce svaru propálen. Pro zkrácení délky oblouku bylo sníženo svařovací napětí o ∆Us = -3 V. Tato korekce přinesla určité zlepšení, ale na horním plechu byl na zkušebních výbrusech patrný vrub, tudíž svar byl nevyhovující.
Po několika dalších pokusech byla původní korekce svařovacího napětí snížena pouze na ∆Us = –1 V. Tato korekce parametrů (délky oblouku) se ukázala jako nejlepší, přesto byl na výbrusech patrný drobný vrub (viz obr. 3.3.8).
Svary, provedené v režimu CMT, byly pohledově kvalitní a proces stabilní bez průpalů a jiných na pohled viditelných vad, nebyly proto prováděny žádné korekce svařovacích parametrů. Metalografické výbrusy však později odhalily hned několik studených spojů, případně svarů s malým závarem (viz obr. 3.3.8).
Obr. 3.3.8) Svary 2x DX54D +Z100MB v v režimu zkrat (vlevo), KF-Puls (uprostřed) a CMT
Na okraj plánovaných testů byla ve firmě SKS provedena praktická simulace možného problému v sériové výrobě, a to nepřesná dráha hořáku vzhledem k místu požadovaného svaru. Trajektorie hořáku byla posunuta zhruba o 1 mm od přesné polohy a byl proveden zkušební svar v obou režimech. U zkratového režimu byla zaznamenána výrazná nestabilita hoření oblouku, velké množství rozstřiků a výsledná kvalita svaru špatnému průběhu svařování také odpovídala. Svar se stejnou negativní korekcí trajektorie provedený v režimu KF-Puls byl však nadále kvalitní a proces stabilní.
22MnB5 +AS150 (tp = 2,0 mm) a DX54D +Z100MB (tp = 1,0 mm)
Tato kombinace povlakovaných ocelí je nejhorší možnou z hlediska svařitelnosti, s jakou se můžeme v současném automobilovém průmyslu setkat. Při svařování obecně působí vrstva zinku řadu komplikací (póry, průpaly,vícepráce). To je způsobeno nízkou teplotou varu zinku (tv = 907°C), přičemž teplota svarové lázně se při svařování metodou MAG pohybuje mezi 1600 ÷ 2100 °C.
V důsledku vysokých teplot ve svarové lázni a jejím okolí tak dochází k vzniku zinkových par, které při unikání ze svarové lázně způsobují časté póry (viz obr. 3.3.9). Při svařování pozinkovaných materiálů je možné pozorovat řadu dalších doprovodných jevů jako jsou značné rozstřiky svarového kovu, způsobené explodujícími bublinkami zinkových par na povrchu svaru, nebo jemnými prachovými okujemi z oxidu zinečnatého po celé ploše tepelně ovlivněné oblasti (viz obr. 3.3.10).
Obr. 3.3.9) Pór na okraji svaru po úniku zinkových par
Obr. 3.3.10) Druhá strana koutového svaru s vrstvičkou prachu oxidu zinečnatého Po několika prvních pokusech byla provedena korekce natočení hořáku ze
provedena korekce dráhy hořáku, který musel být nasměrován více do základního materiálu 22MnB5 +AS150 a to přibližně 2 mm od přesné polohy svaru tak, aby docházelo pouze k okrajovému natavení pozinkovaného plechu a většina vneseného tepla tak byla nasměrována do základního materiálu.
Po několika dalších úpravách parametrů bylo pomocí zařízení SKS dosaženo vyhovujících svarů (viz obr. 3.3.11), jen zřídka se objevovaly vnitřní póry nebo zápaly. Z hlediska dlouhodobé stability procesu a opakovatelnosti kvality svarů je ale tato kombinace materiálů velmi riziková.
Obr.3.3.11) Svary provedené pomocí KF-Puls
Přeplátované svary zhotovené pomocí zařízení Fronius vykazovaly ve většině případů vnitřní póry, naproti tomu koutové svary vykazovaly značný zápal v pozinkovaném plechu (viz obr. 3.3.12), díky čemuž byla většina svarů této kombinace materiálů nevyhovující.
Obr. 3.3.12) Vady svarů – vnitřní pór (vlevo) a zápal v pozinkovaném plechu
3.3.4) Deformace po svařování
Ke svaření vzorků pro porovnání deformací byl použit jednoduchý přípravek vlastní konstrukce a výroby (viz obr. 3.3.13), jehož výkresová dokumentace je uvedena v příloze č. 3. Na trubku o průměru d = 52 mm byl nejprve přivařen jeden plech svarem o délce ls = 210 mm.
Obr. 3.3.13) svařování vzorků pro měření deformací pomocí přípravku
Po svaření a vychladnutí byly vzorky položeny na rovnou plochu a pomocí digitálního posuvného měřítka změřeny deformace po svařování (viz obr. 3.3.14).
Ukázalo se, že rozdíly mezi jednotlivými technologiemi jsou poměrně malé. Pro zvýraznění rozdílů byl zvýšen počet přivařených plechů k jedné trubce na 3 plechy a tudíž celková délka svarové housenky vzrostla na ls = 630 mm.
Každý vzorek byl změřen třikrát, průměrné hodnoty naměřených deformací byly zaznamenány do tabulky 3.3.1.
Tab. 3.3.1) Deformace trubky po svařování - SKS
Technologie ls [mm] x [mm]
KF-Puls 210 1,66
Zkrat 210 2,03
KF-Puls 630 7,33
Zkrat 630 8,33
Tab. 3.3.1) Deformace trubky po svařování - Fronius
Technologie ls [mm] x [mm]
CMT 210 1,53
Zkrat 210 2,11
CMT 630 6,51
Obr. 3.3.14) Schéma měření deformací po svařování 3.3.5) Přemostění svařovací mezery
Cílem této zkoušky bylo odhadnutí praktické hodnoty maximální svařovací mezery, kterou je možno přemostit svarem při minimální korekci svařovacích parametrů. Po převzetí svařovacích parametrů z předchozích testů byla provedena úprava dráhy hořáku a to tak, že byl skloněn více do svařovací mezery. Svařovací mezera byla postupně zvětšována nastavováním svařovacího přípravku od lm0 = 1,2 mm v krocích po ∆lm = 0,2 mm dokud se nezačaly objevovat průpaly, nebo jiné vady svarů.
První nevydařené vzorky se začali objevovat zhruba při lm = 1,8 mm a to v režimu zkratu u SKS i Fronius. První nestabilita při svařování s KF-Puls se začala projevovat při lm =2,0 mm. Pomocí CMT bylo dosaženo přemostění svařovací mezery lm = 2,3 mm, přičemž při této hodnotě ve zkratovém režimu nebylo možné provézt souvislý svar ani po korekci dráhy hořáku, U KF-Puls se podařilo po několika korekcích parametrů a trajektorie zhotovit poměrně kvalitní svar.
Tato možnost dodatečných úprav však v sériové výrobě není možná a tak byla stanovena limitní hodnota svařovací mezery pro KF-Puls na lm = 2,0 mm (viz obr. 3.3.15) a pro CMT na lm = 2,3 mm.
