По рабочим дням с 9:00 - 18:00
8 (499) 110-45-53
Бесплатный для регионов
8 (800) 555-29-72

Spray-Modal - инновации в технологии MIG

16 Января 2017
Spray-ModalКачественная сварка алюминия характеризуется двумя основными критериями – отсутствием пористости в сварном шве и хорошим проплавлением кромок при сварке встык.
 
Технология “Spray-Modal™” - это запатентованный процесс, изобретенный фирмой Air Liquide Welding и являющийся идеальным решением, в полной мере соответствующим этим 2-м критериям.
 
“Spray-Modal™” - это специальный режим переноса металла с использованием модулированного тока постоянной частоты, создающего в жидкой сварочной ванне вибрацию, облегчающую удаление газообразного водорода до затвердевания металла.
 
Этот способ особенно интересен для сварки алюминиевых деталей толщиной от 2 до 8 мм. Вопреки способу переноса металла Spray-Arc (струйный перенос), он может использоваться во всех положениях сварки.
Использование модулирования тока низкой частоты дает такой же внешний вид шва, как и при использовании TIG сварки (ручная дуговая сварка неплавящимся электродом в среде инертного защитного газа).
 
В настоящем документе описывается процесс SPRAY-MODAL™ и его преимущества в промышленном применении для ручной и автоматической сварки.
 

Пористость при использовании MIG сварки алюминия и его сплавов

Основной проблемой, возникающей при сварке алюминия и его сплавов при использовании способа MIG сварки (дуговая сварка плавящимся металлическим электродом (проволокой) в среде инертного газа), является недостаточная плотность наплавленного металла, вызванная пористостью получаемых сварных швов. Поэтому ей предпочитают процесс TIG сварки, который дает превосходные результаты для данного аспекта пористости, но все же имеет такой недостаток, как низкая производительность, связанная со скоростями сварки и подачи присадочного материала.
Проблема пористости при MIG сварки связана с тем, что растворимость водорода в 20 раз выше в жидком металле (0,69 см3/100 г), чем в твердом (0,036 cm3/100 г) (рис. 1) , и риск образования пористости в расплавленном металле тем выше, чем температура нагрева материала превосходит свою температуру плавления.
 
Основными источниками водорода при сварке являются:
  • присутствие углеводородов (консистентные смазки и масла) и влага на поверхностях свариваемых листов и сварочной проволоки,
  • влага в трубопроводах и в газовых баллонах,
  • подсос воздуха через соединения газопроводов,
  • влага в сварочной головке (внутренняя конденсация).
В процессе сварки эти загрязняющие вещества разлагаются в сварочной дуге, при этом водород очень быстро растворяется в расплавленном металле и в каплях расплавленного металла во время их переноса через сварочную дугу. Конвекционные потоки в сварочной ванне переносят насыщенную водородом жидкость в наиболее холодные зоны, что приводит к образованию пор в процессе затвердевания металла.
 
Эта "зарядка" металла водородом происходит по закону Зиверта (Sievert), - закону пропорциональности квадратному корню значения парциального давления водорода над сварочной ванной.
 
Отсюда следует необходимость соблюдения относительно затратных условий подготовки сварных соединений и поддержания электрических параметров, которые сильно влияют на конечный результат:
  • подготовка поверхностей путем обезжиривания, зачистки и выскабливания с ограниченным временем хранения в защищенном состоянии перед сваркой,
  • хранение и использование присадочного металла в герметичных, подогреваемых и инертных емкостях,
  • выбор электрических параметров: уменьшенная и регулируемая длина дуги для предотвращения турбулентности защитной газовой среды и проникновения в нее влажного воздуха,
  • выбор положения сварки, благоприятного для удаления газов (вертикальное снизу вверх или нижнее),
  • выбор скорости сварки, благоприятной для удаления газов из расплавляемого металла.
 
risunok_1

Рис. 1 – Кривая растворимости водорода в алюминии
 

Режимы переноса металла при сварке алюминия по технологии MIG

risunok_2
 

Spray-ModalTM - принцип и место среди других технологий

Принцип. Он основан на применении режима Spray, на который накладывается, на уровне генератора, "модуляция" тока. Это воздействие, сосредоточенное на среднем значении силы тока Spray режима, отличается от него влиянием импульсного тока на отделение капель металла (рис. 3): - при использовании процесса MIG в импульсном режиме имеет место отделение одной капли на импульс в нижней или верхней точке импульса; - при использовании процесса MIG в режиме Spray-Modal™ происходит отделение нескольких капель только в верхней зоне модулирования. Таким образом, изменения базового и пикового токов в режиме Spray-Modal™ более значительны, чем в импульсном режиме MIG процесса. Напротив, частота здесь постоянна, настроена на колебания сварочной ванны и не зависит от скорости подачи проволоки. Это воздействие создает, при постоянной частоте, более значительную амплитуду вибрации, возможно находящуюся в резонансе с естественными колебаниями сварочной ванны. Отсюда более сильное Рис. 2 - воздействие на удаление водорода из сварочной ванны."
 

Обычные режимы переноса металла при MIG сварке алюминия

Режим Short Arc (Короткая дуга): 
Применявшийся ранее в диодных и тиристорных сварочных аппаратах, такой режим переноса металла Short Arc было трудно удержать между режимами короткой дуги и капельного переноса при сварки в различных положениях или для деталей малой толщины. Качество швов оставалось тем не менее связано с этим режимом переноса, который сдерживал дегазацию водорода в слишком «холодной» сварочной ванне.
 
Режим Spray-Arc (Струйный перенос): 
Те же самые сварочные генераторы позволяют сваривать с высокой энергией переноса металла в режиме Spray-Arc для деталей большой толщины. Этот режим улучшает особенно проплавление и смачивание сварочной ванны. Но, с одной стороны, учитывая связанную с этим режимом длину дуги, он относительно чувствителен к проблемам защиты и внешних воздействий, и с другой стороны, объем полученной сварочной ванны ограничивает его применение только для сварки в нижнем положении.
 
Импульсный режим: 
Развитие транзисторных генераторов (преобразователь, затем инвертор) и их систем управления позволило хорошо освоить волну соответствующего тока и энергии импульса для плавления проволоки и отделения капли металла в нижней точке импульса и, следовательно, без разбрызгивания. Таким образом, к удержанию сварочной ванны в нужном положении добавилось благоприятное влияние вибрации сварочной ванны. Эта вибрация является прямым следствием изменений электрических параметров (амплитуды, базового и пикового значения силы тока и соответствующей частоты).
 
Режим Spray-Modal™ (или «Струйный модулированный режим»): 
Режим Spray-Modal™ позволяет учитывать определяющие параметры импульсного режима, имея основной целью еще более значительное уменьшение пористости сварных швов. Колебания сварочной ванны за счет использования значительных колебаний сварочного тока при TIG или MIG сварке в импульсном режиме приводят, в обоих случаях, к формированию утонченной микроструктуры расплавленного металла и одновременно ускоренному удалению водорода.

Spray-ModalTM - принцип и место среди других технологий

Принцип

Он основан на применении режима Spray, на который накладывается, на уровне генератора, "модуляция" тока.
Это воздействие, сосредоточенное на среднем значении силы тока Spray режима, отличается от него влиянием импульсного тока на отделение капель металла (рис. 3):
  • при использовании процесса MIG в импульсном режиме имеет место отделение одной капли на импульс в нижней или верхней точке импульса;
  • при использовании процесса MIG в режиме Spray-Modal™ происходит отделение нескольких капель только в верхней зоне модулирования.
Таким образом, изменения базового и пикового токов в режиме Spray-Modal™ более значительны, чем в импульсном режиме MIG процесса. Напротив, частота здесь постоянна, настроена на колебания сварочной ванны и не зависит от скорости подачи проволоки. Это воздействие создает, при постоянной частоте, более значительную амплитуду вибрации, возможно находящуюся в резонансе с естественными колебаниями сварочной ванны. Отсюда более сильное воздействие на удаление водорода из сварочной ванны.
 
risunok_3
 
После подтверждения эффекта на основе производственных испытаний и сравнительном анализе пористости, это модулирование тока было применено к имеющимся синергетическим диаграммам процесса MIG Spray для скоростей подачи от 4 до 13 м/мин. проволоки диаметром 1,2 мм.

Основные параметры способа

Основные параметры способа приведены на рисунке 3:
  • частота модуляции
  • средняя сила тока для скорости подачи проволоки, соответствующей режиму Spray
  • время длительности нижней зоны модуляции, выбор которого обуславливает выбор базовой и пиковой силы тока
risunok_4
 
К этим параметрам следует добавить параметр напряжения дуги, который обеспечивает более благоприятные условия переноса металла в режиме Spray-Modal™ в отношении пористости шва.
Как видно из таблицы (рисунок 4), следует, насколько это возможно, поддерживать короткую дугу, что позволяет избежать проблем с нарушением и снижением эффективности газовой защитной среды.
 
При таком подходе поддержание короткой дуги во всех трех режимах позволяет свести к минимуму загрязнение ванны, менее выраженное в импульсном режиме, чем в режиме Spray, и еще меньшее в режиме Spray-Modal™, чем в импульсном режиме.

Выбор определяющих параметров и достигаемые преимущества

После отбора основных параметров и принятия в расчет рекомендаций по длине дуги, анализ этих параметров позволил определить соответствующее их влияние на уровень пористости шва. Действие факторов, оказывающих наибольшее влияние, изложено ниже

Факторы, влияющие на уменьшение пористости

Влияние формы модулирующего сигнала (рисунок 5):
Какова бы ни была форма используемого сигнала, наблюдается очень большое влияние модулирования тока до уровня частот 150 Гц, как показано на рисунке ниже.
 
В этом диапазоне сигнал прямоугольной формы имеет большую эффективность, чем треугольный и синусоидальный сигналы, которые очень близки по эффективности друг к другу. При частоте выше 150 Гц характер кривых сохраняется, но влияние в целом менее значительно.
 
risunok_5
Рис. 5 - Влияние формы модулирующего сигнала на образование пористости
 
Влияние частоты модуляции (рисунок 6):
Подтверждается эффективность модуляции при частотах до 50 Гц. Вместе с тем применение более низких частот ограничивается наличием области нестабильной дуги.

risunok_6
Рис. 6 - Влияние частоты модуляции на образование пористости. Сигнал прямоугольной формы / Пиковая сила тока 200 А

 
Влияние времени длительности нижней зоны модуляции
Для 3 уровней исследованных частот 10, 15 и 30 Гц, влияние длительности нижней зоны модуляции максимально для значений 8 мс и 10 мс при частоте 30 Гц.
Увеличение длительности нижней зоны модуляции вызывает быстрое увеличении силы тока верхней зоны модуляции и, следовательно, значительные изменение электромагнитного поля и давления плазмы дуги, достаточные для возбуждения сварочной ванны.
Это возбуждение сварочной ванны проявляется в колебаниях, которые находятся в резонансе, или не находятся, с колебаниями силы тока при частотах до 30 Гц.
Влияние скорости сварки (рисунок 7):
При сварке алюминиевых сплавов положение шва и скорость сварки обычно оказывают наибольшее влияние на отвод газов из сварочной ванны. В исследованном диапазоне скоростей режим «Spray с модуляцией» дает значительное уменьшение пористости при скорости сварки от 25 до 45 см/мин.
При дальнейшем увеличении скорости остаточно количество пор остается неизменным. Таким образом, анализ влияния этих различных параметров позволяет предположить, что возбуждение сварочной ванны должно изменять кинематику зоны раздела жидкой и твердой фаз и ее продвижение вдоль оси шва, а также в направлении толщины соединения.
Следовательно, наблюдаемые явления имеют ту же природу, что и уже установленные для технологии TIG в импульсном режиме при сварке алюминиевых сплавов: формирование утонченной микроструктуры затвердевания и повышение плотности шва.
Это улучшение, существенное и для «чистого» в отношении пористости способа сварки, здесь должно быть еще значительнее, так как риск загрязнения водородом капель расправленного метала гораздо выше.
 
risunok_7
Рис. 7 - Влияние скорости сварки на плотность шва
 

Косвенное влияние на скорость сварки

При рассмотрении основных параметров, сравнительная таблица дает более благоприятные в отношении пористости результаты для режима Spray-Modal™ и показывает для этого режима более значительную, чем для импульсного режима энергию, что в данном случае выражается в увеличении проплавления стыка на 20%.
Другими словами, при одинаковой толщине полностью проваренного шва режим Spray-Modal™ позволяет значительно увеличить скорость сварки. Этот благоприятный косвенный эффект прямо связан с используемой энергией U*I.

Примеры результатов сварки

Предварительная оценка способа, выполненная в лаборатории CTAS путем наложения сварных швов с использованием предварительно загрязненного водородом газа на уровне 5000 ч/млн в режимах Spray-Arc и Spray-Modal™.
 
risunok_8Рис.8 - Площадь поверхности газовых раковин в зависимости от содержания водорода Сравнение режимов Spray / Spray Modal

На рис. 8 показана эффективность режима «Spray с модуляцией» по сравнению с обычным режимом Spray, а также его способность обеспечить максимально допустимый предел содержания газовых раковин 0,007, предусмотренный стандартом EN-30.042 (ISO 10.042) для класса В (рисунок 9).

risunok_9
 

Типовые сварные соединения

Сварка угловым швом в нижнем положении.
 
 
1. svarka_1 2. svarka_2 Spray 
1) 5.5 мм2 
2) 6.0 мм2
3. svarka_3 4. svarka_4 Импульсный 
3) 7,5 мм2 
4) 4,0 мм2
5. svarka_5 6. svarka_6 Spray-Modal™ 
5) 2.35 мм2 
6) 0 мм2


Сварка стыковым горизонтальным швом на подкладке 
Скорость подачи проволоки: 8-10 м/мин
 
1. svarka_7 2. svarka_8 Импульсный 
1) 6.9 мм2 Spray-Modal™ 
2) 4.1 мм2

Сварка угловым потолочным швом 
Скорость подачи проволоки: 11,5 м/мин
 
3. svarka_9 4. svarka_10 Импульсный 
3) 3.5 мм2 Spray-Modal™ 
4) 0 мм2
 
В представленных различных случаях, значительное уменьшение пористости, в сравнении со Spray и импульсным режимами сварки в нижнем положении и импульсным режимом сварки в различных положениях, всегда очень затруднительно. (Возможно также получение сварных швов без пористости).
Как ранее уже говорилось, для режима Spray-Modal™ отмечается улучшение, по сравнению с импульсным режимом, таких характеристик, как проплавление и внешний вид шва (лучший стык и лучшее смачивание).

Промышленное применение

Технология сварки Spray-Modal™ находит разнообразные применения в промышленных отраслях, где в качестве основного металла используется алюминий и его сплавы, для получения высокого качества сварных швов по их плотности и проплавлению (основной газ: Аргон).
Среди наиболее распространенных применений можно назвать:
  1. железнодорожное машиностроение с использованием алюминия (высокоскоростные поезда -TGV, вагоны метро и т.п.),
  2. судостроение (быстроходные паромы - NGV, рыболовные и прогулочные суда, надстройки пассажирских судов, (танкеры для сжиженного природного газа - LNG) и другие),
  3. автомобилестроение с применением сварки деталей толщиной > 2 мм, (задняя подвеска автомобиля, сварные соединения экструдированных профилей),
  4. изготовление цистерн и резервуаров (транспортировка и хранение), 5 - изготовление высококачественных сборно-сварных конструкций (вакуумные камеры, лабораторные поддоны и другое),
  5. дорожные сооружения, переходы и мосты.
Другое преимущество технологии Spray-Modal™ в этих областях применения: исключение появления дырок после разбрызгивания при сварке, в отличие от более распространенных процессов сварки. В этом случае исключается дорогостоящая их заварка и зачистка.
Пример эффективности технологии Spray-Modal™, применение при строительстве скоростного судна класса люкс:
  • Длина: 70 м 
  • Число уровней: 7 
  • Крейсерская скорость: 70 узлов 
  • Материал корпуса: Alustar (5383)
Для изготовления металлоконструкций судна потребовалось наложить 200 км сварных швов, выполненных по технологии Spray-Modal™.
Все сварные швы были подвергнуты радиационному контролю.
Доля обнаруженных дефектов составила 0,57%, тогда как при применении традиционной технологии она обычно составляет около 4%.
Можно представить соответствующее снижение затрат, полученное в этом случае за счет применения технологии Spray-Modal™ (рисунок 10).

Spray-Modal-2
Рис.10
 

2013-437Оборудование

Технология Spray-Modal™ может применяться как для ручной, так и для автоматической сварки. Наиболее приспособленными к этой технологии источниками тока являются сварочные аппараты, разработанные группой компаний Air Liquide Welding, модельный ряд DIGIWAVE под маркой SAF-FRO или сварочные аппараты CITOWAVE марки OERLIKON.



 
DIGIWAVE / CITOWAVE
Первичная обмотка
Трехфазное питание 400 V
Потребление 60 % - 34,5 A 44,5 A
100 % 21,4 A 29,8 A 39 A
Частота 50/60 Hz
Вторичная обмотка
Напряжение холостого хода 106 V -
Сварочный ток 20 A - 280 A 20 A - 400 A 20 A - 500 A
Рабочий фактор (MIG) 60 % - 400 A / 34 V 500 A / 39 V
100 % 280 A / 28 V 350 A / 31,5 V 440 A / 36 V
Уровень защиты IP 23
Уровень изоляции H
Стандарты EN 60974-1 / EN 60974-10

risunok_11
Рис. 11 - Пример синергетического эффекта, создаваемого в сварочных генераторах Скорость подачи проволоки от 4 до 13 м/мин при ее диаметре 1,2 мм
 

Расходные газы и присадочные металлы

ARCAL 1 (I 1 по стандарту EN 439): для обеспечения надежной защиты, хорошего возбуждения дуги и ее стабильности в импульсном режиме единственным используемым в этом случае газом при сварке легких сплавов является аргон.
ARCAL 32 (I 3 по стандарту EN 439): смесь Ar/He, применимая, в основном, для сварки деталей большей толщины или когда нужно получить либо более высокую скорость сварки (+ 20% - 30%), либо лучшее смачивание шва, чтобы обойтись без подготовительных операций. Этот газ также улучшает плотность швов и уменьшает выделение озона и окислов азота.
Можно также воспользоваться вновь разработанными газами, созданными на основе вышеописанных принципов, путем добавки кислорода или азота (600-800 ч/млн N2), способными очень существенно улучшить стабильность дуги, а также скорость сварки или провариваемость шва (возможна сварка одной проволокой деталей толщиной 6 мм, соединяемых без предварительной подготовки). В этом случае требования производительности превалируют над требованиями к внешнему виду поверхности шва, для которого требуется финишная доводка путем удаления небольших поверхностных отложений.

Присадочные металлы.

Сплошные проволоки
Марки проволоки Air Liquide Welding для сварки алюминия
  • FILALU Al 99.5 марки SAF-FRO и ALUFIL Al 99.5 марки OERLIKON (ER 1100 согласно AWS A 5.10)
  • FILALU Al Si 5 марки SAF-FRO и ALUFIL Al Si 5 марки OERLIKON (ER 4043 согласно AWS A 5.10)
  • FILALU Al Mg 3 марки SAF-FRO (ER 5654 согласно AWS A 5.10)
  • FILALU Al Mg 4.5 Mn марки SAF-FRO и ALUFIL Al Mg 4.5 Mn марки OERLIKON (ER 5183 согласно AWS A 5.10)
  • FILALU Al Mg 5 марки SAF-FRO и ALUFIL Al Mg 5 марки OERLIKON (ER 5356 согласно AWS A 5.10)
Применяются соответственно для сварки чистого алюминия (1050) и сплавов серии (5083/5086…) и (6061/6082…). В зависимости от конкретных случаев применения используются проволоки диаметром 1,2 и 1,6 мм.

Выводы

Этот патентованный и единственный на рынке способ является простым и эффективным средством очень существенного уменьшения пористости сварного соединения, выполняемого по технологии MIG ручной или автоматической сваркой. Он позволяет, с одной стороны, выполнять соединения, соответствующие требованиям по предельно допустимому содержанию газовых раковин, предусмотренным стандартом EN-30.042 / ISO 10.042 для класса В (и в связи с этим пересматривать размеры соответствующих соединений), а с другой стороны создает условия для повышения усталостной прочности сварных соединений (улучшение провариваемости и профиля переходных зон усиления шва).
Для получения таких результатов необходимо выполнение двух условий:
  • соблюдать требования по «промышленной» подготовке, разделке кромок стыка и листов,
  • использовать специально предназначенное для сварки алюминия оборудование и все специальные компоненты (см. главу 7) для такого оборудования.
Это существенное повышение качества при практическом применении позволяет придать новый импульс развитию технологии MIG с ее основным преимуществом, состоящим в большей гибкости и более высокой скорости сварки по сравнению с достигаемой по технологии TIG.
Группа компаний Air Liquide Welding, используя свои торговые марки SAF-FRO и OERLIKON, является ведущим игроком на рынке технологий сварки и резки металлов. Пользуясь исследовательскими возможностями, предоставляемыми CTAS (Centre Technique des Applications du Soudage – Технический центр сварочных технологий группы компаний Air Liquide), самым крупным частным центром в области исследования и развития сварочных технологий, SAF-FRO и OERLIKON могут постоянно предлагать своим клиентам ИННОВАЦИОННЫЕ решения, позволяющие им совершенствовать продукцию и повышать производительность с непременным учетом требований по комфорту и безопасности для работников.