Spawanie na zimno

© DA Welding

Udostępnij:

 

Rosnące wymagania względem jakości, stabilności i rentowności procesu nie ominęły technik łączenia materiałów. Szczególnie dynamicznie rozwijające się branże przemysłowe szukają rozwiązań, które pozwolą na spajanie dotychczas trudnych do łączenia materiałów w sposób pewny, a jednocześnie oszczędny.

Spawanie polega na łączeniu materiałów przez ich nagrzanie i stopienie w miejscu zespolenia z dodatkiem lub bez dodawania spoiwa. Stopione spoiwo wraz ze stopionymi brzegami elementów łączonych po ostygnięciu tworzy spoinę. Nie wszystkie metale nadają się w równym stopniu do spawania. O ile materiały o niskiej zawartości węgla (np. stale niskowęglowe, aluminium, ołów czy stopy magnezu) są łatwo spawalne, o tyle trudniej zespawać stale o wysokiej zawartości węgla i stopowe, żeliwo, brązy oraz nikiel. Prawdziwa trudność pojawia się jednak, gdy trzeba termicznie połączyć ze sobą metale o różnych właściwościach. Zazwyczaj łączy się je mechanicznie lub za pomocą kleju. Jednak wszechobecna potrzeba innowacji popchnęła zarówno konstruktorów, jak i technologów do poszukiwań nowych rozwiązań. Szczególnie w dziedzinie budowy pojazdów szuka się metod umożliwiających łączenie lekkiego aluminium z innymi materiałami, głównie ze stalą – ze względu na jej wytrzymałość oraz niski koszt produkcji.


Cold metal transfer
Podczas termicznego łączenia stali z aluminium w warstwie granicznej obu materiałów powstaje tzw. faza międzymetaliczna. Powiększa się ona wraz ze wzrostem wprowadzanego ciepła, a tym samym gorzej kształtują się właściwości mechaniczno-technologiczne połączenia. Różne współczynniki rozszerzalności cieplnej obydwu materiałów powodują powstawanie naprężeń w strefie styku. Nie można również zapomnieć o znacznie większej podatności stali na korozję. Wszystkie istniejące technologie mające na celu połączenie stali i aluminium można wykorzystać tylko w przypadku określonych geometrii lub przy dużych nakładach związanych z techniką sterowania.

W 2005 r. w Essen podczas Międzynarodowych Targów Schweissen und Schneiden austriacka firma Fronius International GmbH zaprezentowała jednak innowacyjną metodę spajania aluminium ze stalą, którą nazwała CMT, czyli Cold Metal Transfer, co można przetłumaczyć jako przejście zimnego metalu. Jest to odmiana spawania MIG/MAG, w której ciepło wprowadzone do spawanych elementów jest o wiele niższe w porównaniu z najczęściej stosowaną metodą spawania łukiem zanurzonym. Tradycyjnie drut wysuwany jest do momentu pojawienia się zwarcia, natomiast w metodzie CMT jest on posuwany do przodu, lecz jednocześnie odsuwany od spawanego modułu. Takie rozwiązanie pozwala uzyskać dużo niższą temperaturę oraz ograniczyć tzw. niekontrolowane zwarcia.


TOP w kategorii




Jak to działa
W trakcie spawania CMT aluminiowy materiał podstawowy topi się razem z aluminiowym spoiwem, a ciekły metal pokrywa ocynkowany materiał stalowy. W krótkich odstępach czasu drut spawalniczy porusza się w kierunku przeciwnym do kierunku podawania. To precyzyjnie zdefiniowane cofanie drutu wpływa na kontrolowane odrywanie kropli oraz czyste, bezrozpryskowe przejście materiału. Ruch drutu odbywa się z dużą częstotliwością i wymaga reagującego szybko, bezprzekładniowego napędu podawania drutu zlokalizowanego bezpośrednio przy palniku spawalniczym. Ponieważ główny napęd podajnika nie może sprostać tym wymaganiom ruchu, w związku z tym przewód podający wyposażono w tzw. bufor drutu, który kompensuje jego dodatkowy ruch w jedną i drugą stronę.

Spawanie CMT odbywa się wyłącznie z zastosowaniem całkowicie cyfrowych, inwerterowych źródeł prądu spawalniczego. System spawalniczy jest zasadniczo zgodny sprzętowo z systemem MIG/MAG o najwyższym poziomie technicznym, trzeba uwzględnić jednak kilka specyficznych wymogów. Chodzi głównie o napęd drutu, który należy umieścić bezpośrednio przy palniku i który musi charakteryzować się wysoką dynamiką. Kiedy źródło prądu spawalniczego rozpozna zwarcie, rozpoczyna się ruch powrotny drutu przy równocześnie zmniejszonym prądzie spawalniczym. Odrywa się dokładnie jedna kropla, bez najmniejszych nawet rozprysków. Następnie drut spawalniczy przesuwa się ponownie do przodu, a cykl rozpoczyna się od nowa. Wysoka częstotliwość i najwyższa precyzja to warunek podstawowy całkowicie kontrolowanego przejścia materiału. Napęd drutu przy palniku spawalniczym zaprojektowano odpowiednio do prędkości, nie jest natomiast przystosowany do dużych sił ciągnących. Dlatego też podawanie drutu odbywa się za pośrednictwem silniejszego, głównego napędu charakteryzującego się ze względów konstrukcyjnych większą bezwładnością.

Zalety
W tradycyjnej metodzie spawania łukiem zanurzonym występuje wysoki prąd zwarciowy, po czym następuje oderwanie kropli i ponowne zajarzenie łuku. Zwarcia pojawiają się w sposób raczej niekontrolowany, przez co powstaje wielu odprysków. Tymczasem w metodzie CMT prąd może być bardzo niski, ponieważ zwarcia nie rozpoczynają się gwałtownie, lecz są otwierane w sposób kontrolowany w następstwie cofania się drutu. Spawanie z typowym przechylaniem kąta palnika jest rzeczywiście bezodpryskowe. Tylko przy skrajnych pozycjach palnika może się pojawić kilka odprysków, które powstają w wyniku ruchów jeziorka spawalniczego, nie zaś w trakcie samego procesu spawania. Dzięki brakowi odprysków spawanie CMT jest mniej kosztowne i nie wymaga dodatkowych, czasochłonnych prac poprawkowych. Następną ważną zaletą metody CMT jest idealna kontrola długości łuku. W tradycyjnej metodzie MIG/MAG o długości łuku decyduje napięcie spawania. Wpływ ten może być jednak zaburzany przez zróżnicowane warunki powierzchni spawanego elementu, np. z powodu występowania tlenków, tłuszczu czy innych zanieczyszczeń. Stąd też kontrola długości łuku może być zafałszowana przez zróżnicowanie powierzchni elementu spawanego. W metodzie CMT drut jest przesuwany w kierunku elementu spawanego aż pojawi się zwarcie, co odpowiada zerowej długości łuku.

Następnie zostaje odciągnięty z pewną prędkością przez określony czas. Dlatego też długość łuku jest w tym przypadku iloczynem prędkości i czasu. Długość ta nie jest kontrolowana przez napięcie spawania, lecz mechanicznie wyregulowana po każdym zwarciu. Jeżeli częstotliwość drgań drutu wynosi powyżej 70 Hz, długość łuku jest regulowana powyżej 70 razy na sekundę. Stała długość łuku utrzymywana jest nawet dla zmian długości wolnego wylotu elektrody i nie zmienia się dla różnych prędkości spawania, co jest typowe dla tradycyjnej metody MIG/MAG.

Trzecią szczególną zaletą metody CMT jest wyjątkowo wysoka zdolność do wypełniania szczelin. W przypadku cienkich blach i dużych szczelin w tradycyjnej metodzie MIG/MAG problemem jest stosunkowo wysoki wkład ciepła – blachy takie topią się, zanim szczelina zostanie zamknięta.

Zastosowanie
Metoda CMT może być wykorzystywana do bezodpryskowego lutowania MIG, łączenia cienkich blach (z aluminium, stali i stali nierdzewnej), łukowego łączenia stali z aluminium oraz napawania. Najbardziej innowacyjnym sposobem zastosowania metody CMT jest z pewnością łączenie stali z aluminium. Mimo że materiał podstawowy, jakim jest stal, w przypadku połączeń spawano- lutowanych nie ulega stopieniu, lecz jest tylko pokrywany, liczne testy na rozciąganie wykazywały zawsze pęknięcia w aluminium, lecz nie na spoinie. Oprócz połączeń stali z aluminium metoda CMT nadaje się doskonale również do szerokiej liczby innych zastosowań. Bez wątpienia bardzo przydatne jest praktycznie bezodpryskowe lutowanie ocynkowanych ogniowo i elektrolitycznie blach przy użyciu drutu spawalniczego ze stopu miedziowo-krzemowego. Z powodzeniem przeprowadzono także próby łączenia ocynkowanych blach (0,8 mm) oraz czarnej stali (5 mm), a także spawania stali nierdzewnych i magnezu.

Możliwe jest również spawanie bez problemów cienkich blach aluminiowych (0,3-0,8 mm). Niewielka ilość wprowadzanego ciepła w przypadku metody CMT pozwala przy tym na zrezygnowanie z podkładki pod grań bez zapadania się spoiny. Metodę CMT z powodzeniem można stosować do wykonywania złączy doczołowych, zakładkowych, brzeżnych oraz pachwinowych w pozycjach PA (korytkowej), PB (nabocznej), PC (naściennej) oraz PG (naściennej z góry w dół).

Proces Cold Metal Transfer można wykorzystywać wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka jakość i idealny wygląd złącza (brak odprysków), wyeliminowanie dodatkowej obróbki po spawaniu, a także duża szybkość i wydajność procesu spawania. Dlatego CMT zastosowano z powodzeniem w przemyśle samochodowym – korzystają z niego koncerny Volkswagen-Audi, Škoda, Mercedes, Toyota, Hyundai oraz KIA. Trafił również do przemysłu lotniczego, gdzie doceniono jego nieosiągalne dotychczas efekty spawalnicze i właściwości procesowe.

Udostępnij:

Drukuj



MM



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również