Технология HIGH-SPEED

Исследования свойств источника питания типа Integral-inwerter MIG 500 HIGH-SPEED производства фирмы EWM (Германия) в лаборатории немецкого института сварки по техническому заданию изготовителя. Перевод с немецкого языка.
1. Введение
Современные источники питания позволяют расширить границы производительности используемых до сих пор обычных способов MAG-сварки и приводят вместе с этим к интересному высокопроизводительному способу сварки.
Повышение производительности и скорости сварки открывает, кроме того, перед HIGH-SPEED® - способом новые области применения, которые прежде были прерогативой сварки под флюсом.

2.Отличительные признаки HIGH-SPEED -сварки.
2.1 Принцип способа
Высокопроизводительная HIGH-SPEED – сварка позволяет сваривать сплошным электродом со скоростью подачи проволоки до 30 м/мин. Перенос электродного материала происходит в струйном диапазоне. При этом характерны две различные формы перехода: струйный (рис. 1) и ротационный (рис.2).

Рис. 1. Струйный перенос

Рис.2. Ротационный перенос

Аксиальный струйный переход при высоких значениях тока выражается конической формой конца электрода, от которого расходится трапециевидный поток плазмы. Высокое давление плазмы создает в основном материале проплавление, которое характеризуется узкой и глубокой сердцевиной и корытообразной поверхностной зоной (рис.3.). Расстояние до токоведущего мундштука составляет 15 - 20 мм. Ротационный переход напротив возникает при образовании длинного столба жидкости на конце оплавляющегося электрода. Вследствие очень большого тока и большого вылета электрода температура образовывающейся капли настолько высока, что электрод плавится уже без действия дуги. Расстояние до токоведущего мундштука в этом случае составляет 25 - 35 мм. По причине продольного магнитного поля столб жидкости вращается вокруг своей оси и конически расширяется. Капли металла переходят в радиальном направлении в основной материал и создают относительно плоское и широкое проплавление. Рис.3.

Рис. 3. Форма проплавления при обычной дуге со струйным переносом (слева) при вращающейся дуге (справа)

 2.2 Комбинации электрод - защитный газ и область действия
Для HIGH-SPEED -сварки применяют электроды диаметром 1,0 и 1,2 мм. Более тонкие электроды из-за нестабильности их подачи при высоких скоростях менее пригодны. Более толстые электроды отпадают, так как в этом случае не создается необходимая для вращения температура конца электрода при технически целесообразном вылете электрода. Чтобы гарантировать стабильный процесс, электроды должны постоянно показывать хорошие свойства скольжения. Используемые комбинации проволока - защитный газ включают в себя сплошные или порошковые проволоки и стандартный двухкомпонентный газ. Область применения охватывает нелегированные и мелкозернистые стали с пределом текучести до 500 Н/мм2 . В то время когда в диапазоне обычной дуги со струйным переносом применяются главным образом смеси газов на основе углекислоты, ротационный перенос достигается при использовании кислородосодержащих смесей. Причиной для этого является свойство аргонокислородных смесей образовывать длинный столб жидкости и вместе с этим улучшать свойства вращения. По сравнению с этим смеси газов аргона и углекислоты требуют более высоких значений напряжения дуги и смещают рабочую зону струйного переноса к более высоким силам тока.
Стандартные газы 82% Аr + 18% СО2 и 92% Аr + 8% СО2 расширяют обычный диапазон струйного переноса с использованием сплошной проволоки диаметром 1,0 мм до скорости подачи проволоки 24 м/мин, диаметром 1,2 мм - до 23 м/мин.
Рутиловые и основные порошковые проволоки напротив могут подаваться со скоростью до 30 м/мин, при этом возникает ротационный перенос металла. Чтобы использовать ротационный диапазон перехода электродного металла применяется стандартный газ 96% Аr + 4% О2. Применение этого газа уменьшает переходную область между обычной и ротационной дугой со струйным переносом и стабилизирует процесс уже со скорости подачи проволоки 23 м/мин. Рис. 4. При этом достигается скорость подачи проволоки до 30 м/мин. как при диаметре 1,0 мм, так и при 1,2 мм.

Рис. 4. Виды дуги
Schweissspannung – напряжение, В
Schweissstrom – сварочный ток, А
Drahtvorschub – скорость подачи проволоки, м/мин
Kontaktrohrabstand – вылет электрода, мм
KLB – короткая дуга,
MLB – смешанная дуга
K-SLB – обычная дуга со струйным переносом металла
R-SLB – ротационная дута со струйным переносом металла

 2.3 Требования к источникам питания и оборудованию
Источник питания инверторного типа Integral-inwerter MIG 500 HIGH-SPEED (рис.5) предназначен для MAG-высокопроизводительной сварки. 500А/60%ПВ (400А/100%ПВ). Кроме того, его можно использовать для стандартной и импульсной MAG / MIG-сварки, MIG - сварки на постоянном токе и для ручной дуговой сварки. Преимуществами инверторов являются значительно меньшие размеры, больший КПД, нечувствительность к колебаниям сети и вместе с этим очень высокая степень воспроизводимости параметров сварки. Управление источником осуществляется однокнопочной системой. Путем запрограммированной характеристики одной кнопкой выставляется бесступенчатая зависимость между электрической мощностью и скоростью подачи проволоки. Длина дуги может корректироваться дополнительно. Система из инвертора и единицы управления позволяет быстро реагировать на различные изменения длины дуги, чтобы поддерживать постоянными параметры сварки независимо от длины кабеля сварочного контура. Несложное управление инвертором обеспечивается обслуживающим модулем "PROGRESS 4" (рис. 6)

Рис. 5. Источник питания Integral-1nwerter MIG 500 HIGH-SPEED®

Рис.6. Панель управления "PROGRESS 4"

Он предлагает пользователю возможность составления и запоминания программы сварки. Кнопкой на горелке могут вызываться различные рабочие точки, которые стартуют во-первых с пониженной мощностью сварки (Р1) для избежания дефектов вначале шва, во-вторых позволяют определенное снижение параметров в конце сварки для заполнения конечного кратера (Р4) Рис. 7
Кроме того, пользователь может в любое время нажатием кнопки на горелке вызвать рабочую точку с более низкой ступенью мощности, например, чтобы осуществить провар утла заготовки (РЗ). Важным узлом является механизм подачи проволоки. Четырех роликовый механизм с высокими пусковым моментом и мощностью протяжки гарантирует стабильную скорость подачи проволоки со скоростью до 30 м/мин.
Горелка должна выдерживать высокую термическую нагрузку. Ее конструкция требует одновременного водяного охлаждения контактного мундштука и газового сопла.

Продувка газомстартовый ток- P 1сварочный ток - Р2сварочный ток - Р2сварочный ток - Р2заварка кратера - Р4доплавление конца электродапродувка газом

Рис. 7. Диаграмма протекания процесса при использовании устройства управления- "PROGRESS 4"
Надписи на рисунке обозначают: Zeit – время, Schweissleistung – мощность сварки

При ручном применении реализуется скорость подачи до 23 м/мин в диапазоне обычной дуги со струйным переносом. Поэтому рекомендуется полная механизация и автоматизация. Источник располагает обоими вариантами. Кроме того, в любое время может выполняться документация сварочного процесса при помощи измерительного и контролирующего программного обеспечения Q-DOC 9000. Рис. 8.

Рис. 8. Графическое изображение сварочных параметров при HIGH-SPEED сварке

3.Отчет об исследованиях SLV M-V
3.1Проведение опытов
Чтобы расширить практическое применение способа вращающейся дуги со струйным переносом учреждением SLV M-V по заказу EWM Hightech Welding GmbH был выполнен ряд исследований на тему: "Исследование влияния различных газов при изменении параметров сварки с использованием высокопроизводительной MAG-сварки вращающейся дугой со струйным переносом".
Целью было разработать оптимальные параметры и граничные условия для практического применения. При этом исходили из хороших свойств ротационной дуги, плавного перехода между основным металлом и швом без подрезов, высокой производительности сварки в нижнем положении (РА). Особое внимание уделялось защитным газам, так как они в первую очередь определяют расходы при сварке. По этой причине сравнивались при одинаковых параметрах два двухкомпонентных, один трехкомпонентный и четырехкомпонентный (T.I.M.E.-Gas) газы.

• Источник питания:Integral-lnwertor MG 500 HIGH-SPEED
• Материал:St 52-31=12 мм; St 37 t=20 мм
• Присадочный материал:G3Sil (Union K 52 T) диаметр 1,0 мм и 1,2мм
• Угол наклона горелки:10°, углом вперед
• Положение сварки:нижнее (РА)
• Скорость сварки:0,5 м/мин

Использовались газы:

• T.I.M.E.-Gas (65% Ar+26,5% He + 8% СО2 + 0,5% О2)
• Двухкомпонентный газ (96% Ar + 4% О2)
• Двухкомпонентный газ (92% Ar + 8% СО2)
• Трехкомпонентный газ (72% Ar + 20% Не + 8% СО2)

Сварка угловых швов осуществлялась в нижнем положении (РА) при механизированном ведении горелки. Чтобы систематически исследовать большое число параметров, не завышая ненужно количество опытов, работали с факторным планом. Факторный план первой серии опытов имеет вид 24:

Диаметр проволоки: 1,0 мм
Напряжение: 28 V / 42 V
Скорость проволоки:23 м/мин / 27 м/мин
Расстояние до токоведущего мундштука: 28 мм / 32 мм
Расход газа: 22 л/мин / 28 л/мин T.I.M.E.- Gas

а также:

Диаметр проволоки: 1,2 мм
Напряжение: 44 V / 48V
Скорость проволоки: 26 м/мин / 30 м/мин
Расстояние до токоведущего мундштука: 29 мм / 33 мм
Расход газа: 22 л/мин / 28 л/мин T.I.M.E.- Gas

Влияние количества газа сказывается в форме смещений дуги. При большем расходе это может быть уменьшено до минимума. Так как, уже с 25 л/мин не обнаруживается заметного улучшения при названных выше параметрах, то это значение использовалось для всех опытов. Благодаря этому дальнейшее протекание опытов снизилось до величины 23 факторного плана.
А именно следующие вариации сварочных параметров:

• Напряжение
• Скорость подачи проволоки
• Расстояние до токоведущего мундштука

относятся к каждому диаметру проволоки и каждому виду защитного газа. В качестве визуальных критериев оценки исследований служили вращение дуги, стабильность процесса, внешний вид шва (чешуйчатость, без подрезов). На таком базисе была определена максимально достижимая скорость сварки (шаг 0,1 м/мин). Запись параметров происходила при помощи EWM-программного обеспечения Q DOC 9000. Для заключения о внутреннем качестве оценивались микрошлифы всех проб. Дополнительные измерения твердости по Виккерсу наиболее удачных проб дополняли исследования высокопроизводительного MAG-процесса сварки.

3.2 Оценка результатов исследований
Результаты этих исследований разъясняют влияние различных защитных газов на процесс сварки. Так, прежде всего двухкомпонентный газ (96% Аr + 4% 02) представляет собой оптимальный газ. Хорошие результаты сварки достигаются уже при относительно низких значениях напряжения для вращающейся дуги.
Вращение дуги по сравнению с 4 газами было однозначно лучшим. Достигалась скорость сварки до 0,5 м/мин. Причем не наблюдалось "блуждания" дуги и подрезов. Рис. 9 и 10.

Рис. 9. Сечение углового шва,проба 406, раздел 3.2.1

Рис. 10. Сечение углового шва, проба 302, раздел 3.2.1.

При сварке с T.I.M.E. - Gas ротационная дуга появлялась только при более высоких значениях напряжений. Зависимость от расстояния до контактного мундштука была здесь наименьшей. Скорость сварки до 0,7 м/мин.
Трехкомпонентный газ (72% Ar + 20% Не + 8% СО2) показывал ротационную дугу при использовании проволоки диаметром 1,0 мм также исключительно при высоких значениях напряжения. Хорошие результаты приносил диаметр 1,2 мм. Скорость сварки лежала около 0,7 м/мин.
Двухкомпонентный газ (92% Ar + 8% СО2) при диаметре проволоки 1,0 мм показывал ограниченные возможности сварки ротационной дугой, так как стабильный процесс был возможен только в узком рабочем диапазоне. При диаметре 1,2 мм ротационная струйная дуга при оптимальных параметрах сварки была достигнута лишь однажды. Скорость сварки составляла 0,6 м/мин. Особенно в области обычной струйной дуги были достигнуты хорошие результаты.
Для расстояния до токоведущего мундштука рассматривался участок, который гарантировал надежное вращение дуги. При вылете электрода 25 мм эта предпосылка была выполнена. Прежде всего, при двухкомпонентных газах обнаруживалось, что с растущими скоростями подачи проволоки необходимо увеличивать также расстояние до токоведущего мундштука, чтобы получить стабильный сварочный процесс с использованием вращающейся дуги.
Поры в сварном соединении возникали исключительно при применении Т.I.М.Е.-, и трехкомпентного газа, содержащего гелий. Зависимость определенных параметров таких, как расстояние до мундштука или напряжения установить не удалось. В заключение необходимо заметить, что газовую смесь 96% Аr + 4% О2 для высокопроизводительной MAG-сварки вращающейся дугой необходимо классифицировать здесь как лучшую. Как стабильность процесса сварки, так и его нечувствительность к колебаниям при изменении параметров делает ее интересной с точки зрения дешевизны и постоянного наличия в торговле.

3. 2.1. Определенные параметры сварки
Данные сварочные параметры (таблица 1) для конкретной комбинации проволока - газовая смесь показывают максимально возможную скорость сварки при оптимальном внешнем виде шва.

3.2.2. Измерения твердости
Выборочные пробы (таблица 1) были подвергнуты контролю твердости. Рис. 11. Твердость материла определялась с целью установить участки с наибольшей твердостью и по этим значениям сделать выводы о ожидаемом поведении материала. Определяющим значением свойств сварного соединения наряду со сварочным швом (SG) является также ЗТВ (WEZ). Критической твердостью по Виккерсу является величина 350 HV. Такие значения обнаруживаются при резких скоростях охлаждения.

Рис. 11. Намеченная линия измерения твердости
Сокращения на рисунке: GW-основной материал, SG-сварочный шов, WEZ-зона термического влияния

При высоких значениях сварочного тока и напряжения и сравнительно небольших скоростях сварки, при таком способе вносится большое количество тепла, таким образом высокая твердость не может возникнуть. Все замеренные значения лежат ниже критической величины 350 HV. Рис. 12.

Таблица 1. Параметры сварки

Рис. 12. Измерения твердости по Виккерсу (HV5)

3.2.3. Образование структуры и механические характеристики

Для комплексной оценки структуры были изготовлены микро- и макрошлифы сварного соединения и зоны термического влияния.

При этом нужно было выполнить сварку на образцах из стали ST 52-3 и термомеханически обработанной стали с низким содержанием углерода L36TM (t = 12мм). Химический состав материала содержит таблица 2.

Использовались параметры сварки проб 406 и 302. При исследованиях они показали такие комбинации параметров, при помощи которых можно было гарантировать оптимальный процесс сварки.

Таблица 2. Химический состав исследуемого материала.

Образование микроструктуры ЗТВ стали ST 52-3 и расчет времени охлаждения (t8/5) при помощи вспомогательной системы WELDWARE показывают довольно хорошее соответствие. Замеренные значения соответствуют рассчитанным.

У сваренных проб они лежат в пределах 270 HV5, WELDWARE и рассчитывается для времени охлаждения 10 сек значения твердости менее 278 HV. Время охлаждения (t8/5) в 10-20 сек позволяет ожидать механические характеристики, которые при достаточной прочности достигают также хороших значений вязкости. Рис. 13.

Рис. 13. Механические характеристики стали ST52-3 в зависимости от времени охлаждения (t8/5)

Время охлаждения (t8/5) при таких параметрах сварки достигается выставлением скорости сварки примерно 0,4 м/мин. Термомеханически обработанная сталь L36TM показывает для рассчитанного программой WELDWARE времени охлаждения (t8/5) 10 сек значения твердости ниже 251 HV. Эти значения справедливы для трехмерного теплоотвода, т.е. для критического случая сварки массивных заготовок. В исследуемых пробах максимальная твердость в ЗТВ составила 178 HV5. Различие с расчетными значениями можно объяснить тем, что сварочные пробы были слишком малы в своих размерах из-за высокого тепловложения не моделировали реального трехмерного теплоотвода. Оценка снимков структуры не обнаружила присутствия мартенситных включений, т.е. время (t8/5) должно быть больше 12 сек. Рисунок 14 показывает механические характеристики. Это показывает, что термомеханически обработанные стали, с низким содержанием углерода могут без проблем свариваться HIGH-SPEED- СВАРКОЙ.

Рис. 14. Механические характеристики стали L36TM в зависимости от времени охлаждения (t8/5)

4.Практический опыт и перспективы
Область применения HIGH-SPEED- сварки лежит при больших скоростях сварки обычной дугой со струйным переносом металла в диапазоне малых и средних толщин. Вращающаяся дуга находит применение в основном при средних и больших толщинах. Высокая производительность реализуется, прежде всего, в нижнем положении. Плоская форма шва и надежный провар кромок классифицируют данный способ также для динамически нагруженных конструкций. При этом высокопроизводительная HIGH-SPEED- сварка представляет собой реальную альтернативу сварке под флюсом. Повсюду, где нет в распоряжении установок для сварки под флюсом или из конструктивных причин не может быть обеспечены необходимые рабочие площади, нужно принимать во внимание применение такого способа.
Кроме того, источник питания Integral-inwertor MIG 500 HIGH-SPEED® является более мобильным из-за малых габаритов и дополнительной программы для ручной сварки, чем оборудование для сварки под флюсом. Это подтверждает пример из практики применения на одном из заводов металлоконструкций.
Там плоский профиль толщиной 20 мм приваривался к профилю коробчатого сечения толщиной 10 мм. Материал ST 52-3, V-образная разделка кромок продольного шва. Ранее сварка выполнялась автоматическим способом MAG. Приобретение оборудования для сварки под флюсом должно было повысить экономичность процесса, так как сварку предполагалось выполнять в этом случае в один проход (ранее в три).
Так как данный продукт изготавливается не регулярно, то при расчете инвестирования необходимо естественно учитывать коэффициент загрузки оборудования и комплексное разнообразие выпускаемой заводом продукции.
HIGH-SPEED®- оборудование имеет здесь несомненное преимущество. Таблица 3 противопоставляет "старые" и "новые" способы сварки на 1м шва.

Таблица 3. Сравнение MAG и HIGH-SPEED- сварки на 1м шва.
Диаметр проволоки 1,2 мм.

В этом случае сваривали вращающейся дугой проволокой SG 2, диаметр 1,2 мм, скорость подачи 26 м/мин, газовая смесь (96% Ar + 4% О2)

Экономия защитного газа, рабочего времени, повышение производительности сварки обосновывает целесообразность применения высокопроизводительного способа MAG- сварки.