Spawanie aluminium – zastosowanie nowoczesnych źródeł inwertorowych z możliwością modulacji częstotliwości

dr inż. Piotr Białucki*, dr inż. Artur Lange*,

mgr inż. Marcin Winnicki*, mgr inż. Krzysztof Mielcarek**

 

Aluminium oraz ich stopy należą do materiałów konstrukcyjnych o coraz większym znaczeniu. W związku z ich zastosowaniem istnieje potrzeba wykonywania połączeń jednoimiennych jak i połączeń różnoimiennych. Istotnym problemami występującymi podczas spawania jest duża przewodność cieplna oraz bardzo duże powinowactwo aluminium do tlenu, a powstający tlenek Al2O3 występuje na powierzchni w postaci szczelnej i trudno topliwej warstwy.

 

1. Wstęp

Zaawansowane technologie produkcji oraz różnorodność wykorzystywanych materiałów rzucają wyzwanie producentom sprzętu spawalniczego. Wytwarzane przez nich urządzenia powinny być na tyle uniwersalne, a zarazem nowoczesne, by zaspokoić różnorakie potrzeby klientów. W celu sprostania wysokim wymaganiom, nowoczesny sprzęt spawalniczy obejmuje zastosowanie innowacji z wielu dziedzin nauki, przede wszystkim elektroniki, informatyki i inżynierii materiałowej. W pełni profesjonalne urządzenia spawalnicze powinny być trwałe, umożliwiać sterowanie wieloma parametrami procesu, a zarazem łatwe w obsłudze, energooszczędne i wydajne. Wymaganiom takim mogą sprostać tylko te firmy, które wykorzystują najnowsze osiągnięcia nauki i posiadają długoletnie doświadczenie. Zakład Aparatury Spawalniczej ASPA wspólnie z firmą Stel Srl. jest jednym z producentów takich urządzeń. Znajdując się na rynku od wielu lat, stale poszerzają ofertę urządzeń spawalniczych, a ostatnimi czasy kładą szczególny nacisk na inwertorowe urządzenia zarówno do spawania, jak i napawania metodami TIG AC, TIG DC oraz MMA i MIG/MAG.

Aluminium jest metalem, który coraz silniej wypiera podstawowe materiały konstrukcyjne, przede wszystkim ze względu na dobre właściwości korozyjne oraz małą masę. Głównym problemem technologicznym przy zastosowaniu tego metalu jest jego spawalność. Wykonanie prawidłowego połączenia spawanego aluminium przysparza znacznie więcej trudności, niż stal węglowa, co związane jest między innymi z szybko powstającą warstewką tlenkowa oraz wysoka przewodnością cieplną.

* Zakład Spawalnictwa, Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej
* Zakład Aparatury Spawalniczej ASPA Sp. z o.o

 

Z racji tego aluminium stawia wymóg stosowania nowoczesnych źródeł spawalniczych, dających możliwość sterowania parametrami procesu. Wykorzystując zmianę częstotliwości pracy z 50 Hz na wyższe, można pozbyć się warstewki tlenowej na powierzchni (tzw. zjawisko rozbijania katodowego), zarazem zmniejszając ilość i wielkość wtrąceń tlenku Al2O3 w spoinie. Dodatkowo modulacja prądu spawania przez różny udział biegunowości dodatniej na elektrodzie i przedmiocie spawanym nie tylko powoduje skuteczny efekt oczyszczający lecz pozwala także na lepsze wykorzystanie ciepła łuku i spawanie z większymi natężeniami prądu [1,2].

Źródła prądu zaprojektowano z myślą uzyskania najwyższej jakości podczas spawania aluminium i jego stopów, jak również stali nierdzewnej, stali węglowej, miedzi i innych metali. Jednym z przykładów może być zastosowanie źródła TIG dp 221 Hpa, które wykorzystano do uzyskania połączeń w opisanych poniżej badaniach. Sięgamy do spawarki inwertorowej firmy, która jako jedna z pierwszych oferowała je klientom w Polsce. A jej sztandarowy produkt Tig 200 AC/DC znany jest z niezawodności od ponad 10lat.

 

2. Krótka charakterystyka urządzenia

Seria spawarek inwertorowych regulowanych elektronicznie przy pomocy mikroprocesora sterowanego cyfrowo, do której należy model TIG dp 221 Hpa AC/DC, dzięki zastosowaniu zaawansowanych technologii, pozwala na osiągnięcie doskonałej jakości spawania. Obwód mikroprocesora kontroluje i optymalizuje przeniesienie łuku niezależnie od zmian obciążenia i impedancji przewodów spawalniczych. Panel przedni pozwala na łatwe programowanie sekwencji spawania. Urządzenie cechuje się małą wagą, niewielkimi wymiarami, zredukowanym poborem energii oraz niskim poziomem hałasu [3].

 

 

Rys. 1. Inwertorowe źródło spawania TIG dp 221 Hpa AC-DC

 

Inwertorowe źródło spawania TIG dp 221 Hpa AC-DC (rys. 1) umożliwia na spawanie z najwyższą jakością aluminium, stale nierdzewne oraz inne materiały. Nowa generacja spawarek inwertorowych maksymalnie wykorzystuje napięcia zasilania - dzięki technologii PFC (Power Factor Control). Zaawansowana dynamika PFC zapewniają całkowite wykorzystanie napięcia zasilania tak aby bez strat energii dostarczyć pożądany prąd spawania. Urządzenie pracuje w zakresach napięcia od 90 V do 270 V i zużywa o 30% mniej energii niż tradycyjny inwertor. Parametry techniczne omawianego źródła przedstawiono w tab.1 [3].

 

Tabela. 1. Dane techniczne urządzenia

 

 

Spawając prądem przemiennym możliwa jest regulacja częstotliwości od 20 do 200 Hz. Możliwa jest również regulacja balansu od 10% do 90% (rys. 2). W przypadku ustawienia regulatora balansu 90% dodatniej wartości prądu w materiale spawanym i 10% ujemnej wartości prądu na elektrodzie wolframowej (rys.2a) otrzymuje się maksymalna penetrację łuku w głąb spawanego materiału przy wystarczającym jeszcze efekcie oczyszczenia powierzchni i nie występuje topienie się elektrody. Przy ustawieniu balansu rozkładu prądu wg. rys.2b, tzn 10% biegunowości dodatniej na materiale i 90% biegunowości ujemnej na elektrodzie otrzymuje się maksymalny efekt oczyszczający łuku, przy niewielkiej jego penetracji w materiał spawany bez możliwości zjawiska topienia się elektrody i zanieczyszczenia spoiny wtrąceniami wolframu. Producent sugeruje ustawienie balansu 20% na plus i 80% na minus.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 2. Regulacja balansu częstotliwości: a) 90/10, b) 10/90

 

3. Przebieg doświadczenia

W badaniach wykorzystano blachę aluminiową PA6 (EN AW-2017A) o grubości 4 mm. Skład chemiczny materiałów przedstawiony został w tab. 2. Blachy aluminiowe AW-2017A charakteryzują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi, w stanie podstawowym Rm wynosi do 225 MPa oraz wysoką wytrzymałością zmęczeniową.

 

Tabela. 2. Skład chemiczny stopu wg EN AW-2017A (% wag.)

Pierwiastek	Cu	Mg	Mn	Si	Fe	Zr+Ti	Zn	Cr	inne	Al.
Zawartość	3,5-4,5	0,4-1,0	0,4-1,0	0,2-0,8	max. 0,7	max. 0,25	max. 0,25	max. 0,1	max. 0,2	pozostałość

 

Przeprowadzone badania obejmowały 9 prób, spośród których wykonano po 3 dla różnych częstotliwości: 50, 100 i 200 Hz. Pozostałe parametry procesu przedstawiono w tab. 3. Przed przystąpieniem do spawania elementy ukosowano na V, wysokość progu wynosiła 1 mm. Jako spoiwa użyto drutu AlMg5Cr (wg AWS 5.10 ER 5356) o średnicy 3,2 mm.

 

Tabela. 3. Parametry procesu

 

Przed przystąpieniem do próby rozciągania przygotowano próbki o wymiarach 20x40 mm. Próba rozciągania wykazała, że dla najniższej częstotliwości, 50 Hz, miejsce zerwania nastąpiło we wszystkich przypadkach w SWC, a w próbce 6 dodatkowo w spoinie. W przypadku zastosowania częstotliwości 100 i 200 Hz, dla wszystkich próbek miejsce zerwania występowało poza połączeniem i SWC, czyli w materiale rodzimym. Średnią wartość otrzymanych wytrzymałości na rozciąganie przedstawiono w tab. 4.

Na rys. 3 przedstawiono makrostrukturę otrzymanych połączeń wybranych próbek. Spawanie z częstotliwością 50 Hz (rys. 3a) doprowadziło do uzyskania struktury gruboziarnistej, która jest niepożądana i mogła być przyczyną niskiej wytrzymałości złącza.

 

Tabela. 4. Parametry procesu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 3 Makrostruktura złączy spawanych z częstotliwością: a) 50 Hz, b) 100 Hz, c) 200 Hz

 

4. Wnioski

Przeprowadzone badania miały na celu porównanie spawania blach aluminiowych, przy wykorzystaniu nowoczesnego źródła inwertorowego, różnymi zakresami częstotliwości.

Z przeprowadzonych analiz wyciągnięto następujące wnioski:
a) spawanie większymi częstotliwościami (100 i 200 Hz) umożliwiły uzyskać stosunkowo wyższą wytrzymałość na rozciąganie, odpowiednio 190 i 207 MPa,
b) dla próbek spawanych częstotliwością 50 Hz zerwanie następowało w połączeniu oraz w SWC,
c) próba rozciągania próbek spawanych częstotliwością 100 i 200 Hz wykazała, że zerwanie następowało poza złączem, w materiale rodzimym.

Powyższe badania wykazały, że przy odpowiednim doborze parametrów spawania (np.: regulacja częstotliwości) stosowanie urządzenia Tig dp 221 Hpa AC/DC znakomicie poprawia jakość złącza spawanego, a samo złącze ma zdecydowanie lepsze właściwości niż materiał spawany – wytrzymałość na rozciąganie : materiału 195, a złącza spawanego 207 MPa.

 

Literatura
[1] Pilarczyk J.: Poradnik inżyniera. Spawalnictwo, tom 2, WNT, Warszawa 2005.
[2] Al Obeidi A. Hadi, Spawane konstrukcje okrętowe ze stopów aluminium, Przegląd Spawalnictwa, 2009, nr 6.
[3] Materiały informacyjne ASPA.

Źródło: Zakład Aparatury Spawalniczej Aspa Sp. z o.o.

dodano: 15:45, 16.5.2011

---

REKLAMA