FRONIUS CMT – innowacyjny proces spawalniczy

Jacek Szulc

---

Unia Europejska do roku 2013 przeznacza ogromne środki, które mogą być wykorzystane przez polskich przedsiębiorców
na zakup innowacyjnych technologii przemysłowych.

Cold Metal Transfer jest procesem spawalniczym, po raz pierwszy oficjalnie zaprezentowanym na Międzynaro- dowych Targach Schweissen und Schneiden (Essen, 2005) przez FRONIUS INTERNATIONAL GmbH, austriacką firmę wyznaczającą nowe trendy i kierunki rozwoju urządzeń i technologii spawalniczych na świecie. Wiele polskich firm, dużych i małych, już skorzystało z możliwości dofinanso- wania zakupu urządzeń i realizacji procesu CMT do swoich zastosowań z dotacji unijnych. W Polsce po raz pierwszy urządzenie do spawania me- todą CMT wprowadziła firma UNIDAWELD (przedstawiciel FRONIUS INTERNATIONAL w południowej Polsce) przeka- zując je Instytutowi Spawalnictwa w Gliwicach do prób tech- nologicznych i porównawczych. Równolegle metoda CMT wprowadzona została do Zakładu Inżynierii Spajania Poli- techniki Warszawskiej przez firmę SUPRA ELCO (przedsta- wiciela FRONIUS INTERNATIONAL w północnej Polsce). Na skalę przemysłową proces CMT został zastosowany po raz pierwszy w roku 2007 przez SUPRA ELCO do produk- cji mebli i wyposażenia rehabilitacyjnego, wspólnie z Prze- mysłowym Instytutem Automatyki i Pomiarów PIAP, Warszawa (integrator systemów zrobotyzowanych w MEDEN-INMED Koszalin).

Proces CMT znajduje zastosowanie w wielu gałęziach prze- mysłu. SUPRA ELCO rozwiązała problem powstawania odprysków w procesie lutospawania drzwi samochodu VW Caddy. Przeprowadzone 3-miesięczne próby CMT oraz opty- malizacja parametrów wykazały wyższość procesu CMT nad lutospawaniem z użyciem urządzenia FRONIUS TRANS- PULSSYNERGIC 4000, a także urządzenia innej firmy EWM do procesu lutospawania drzwi VW Caddy w VOLKSWA- GEN Polska Sp. z o.o. (oddział Swarzędz). Wynikiem prac technologicznych było 60-krotne zmniejszenie ilości odpry- sków spawalniczych z ok. 3000 (przy dotychczas stosowa- nej metodzie lutospawania MIG z zastosowaniem urządze- nia Fronius TPS 4000) do 51 przy metodzie CMT. Firma UNIDAWELD, będąca przedstawicielem FRONIUS INTERNATIONAL w Polsce południowej, wdrożyła proces CMT w takich zakładach, jak: Magna Cosma Formpol sp. z o.o. Tychy (5 szt. TPS 4000 CMT, spawanie elementów i kom- pletnych zderzaków samochodowych), Magnetti Marelli sp. z o.o. (2 szt. TPS 4000 CMT, spawanie tłumików ze stali nierdzew- nej do samochodu Fiat 600).

Zasada procesu CMT

CMT to skrót od Cold Metal Transfer (przejście zimnego metalu) i należy do grupy tzw. zwarciowego przejścia meta- lu w łuku (łuk zwarciowy). Oderwanie się kropli metalu prze- biega jednak w nieco odmienny sposób w porównaniu z tradycyjną metodą MIG/MAG, gdzie decydującą i wyłączną rolę odgrywa przepływ prądu elektrycznego w obwodzie spa- wania. Zwykle do tego celu jest potrzebny prąd o stosunkowo dużej wartości do pewnego oderwania się kropli. W metodzie CMT nowość stanowi sposób podawania drutu spawalniczego: jest on nie tylko podawany naprzód (w kierunku do jeziorka ciekłego metalu), ale także następu- je jego wycofanie. Spoiwo jest „wyciągane” z jeziorka ciekłego metalu.

Przede wszystkim ruch spoiwa (drutu spawalniczego) jest parametrem procesu i wpływa bezpośrednio na efekt końcowy. Układ sterowania analizuje zmierzoną wartość rzeczywistą prędkości podawania i wycofywania drutu (mie- rzy prędkości przesuwu drutu w obydwu kierunkach) w pę- tli sprzężenia zwrotnego. W tradycyjnej metodzie MIG/MAG prędkość podawania drutu jest zadana i utrzymywana na stałym poziomie – nie jest włączona w sposób aktywny do układu sterowania. Kolejną różnicę pomiędzy CMT a metodą MIG/MAG stanowi efekt przechodzenia kropli metalu w łuku spawalni- czym przy wartości prądu spawania wynoszącej zero. W tradycyjnym spawaniu łukowym wartość prądu znacznie wzrasta w chwili zwarcia kropli z jeziorkiem ciekłego meta- lu. W metodzie CMT prąd w tej fazie utrzymywany jest na niskim poziomie.

Pomimo to oderwanie kropli jest możliwe niezależnie od procesu wycofywania materiału spoiwa, dzięki działaniu sił napięcia powierzchniowego jeziorka ciekłego metalu. Te cechy charakterystyczne dla metody CMT pozwalają na stwierdzenie, że śmiało można określić ją jako rewolucyjną. Możliwe jest wykonanie praktycznie bezodpryskowej spo- iny czy lutospawania. Znakomicie zmniejsza to koszty i skra- ca czas obróbki złącza. Przy ekstremalnie dużym kącie po- chylenia uchwytu spawalniczego możliwe jest całkowite wyeliminowanie odprysków. W urządzeniach spawalniczych MIG/MAG rzeczywiste napięcie spawania jest mierzone i przeliczane jako funkcja długości łuku. Niedogodnością tej metody jest zależność napięcia spawania od jakości powierzchni elementu spawa- nego, prędkości spawania itp. Te zewnętrzne czynniki wpły- wają na zafałszowanie rzeczywistej wartości długości łuku, a tym samym zniekształcają sygnał rzeczywistej wartości napięcia spawania w pętli sprzężenia zwrotnego układu ste- rowania urządzenia spawalniczego. W procesie CMT jest możliwe bardzo precyzyjne stero- wanie długością łuku. Tu długość łuku regulowana jest w sposób mechaniczny, w zależności od procesu zwarcio- wego przejścia kropli w łuku oraz zadanej wartości wycofa- nia materiału spoiwa. W ten sposób wszelkie zewnętrzne czynniki wpływające na długość łuku zostają wyeliminowa- ne. Prędkość spawania, odległość tulei prądowej od mate- riału spawanego nie mają na nią wpływu.

Podczas zajarzania łuku czas pomiędzy pierwszym kontaktem drutu spawalniczego do elementu spawanego a chwilą ustabilizowania się łuku może być zmniejszony

nawet do połowy przy metodzie CMT w porównaniu z trady- cyjnym zajarzaniem w metodzie MIG/MAG. Zmniejsza się ogólny czas cyklu spawania (np. przy spawaniu zrobotyzowa- nym). Ponadto natychmiast osiąga się szybkie wytworzenie jeziorka ciekłego metalu (wtopienie w materiał spawany). Możliwe jest także połączenie procesu CMT z łukiem pul- sującym. W efekcie otrzymuje się możliwość regulacji ilości ciepła w spoinie i wpływ na jej kształt, geometrię. Kombina- cja taka znajduje najczęściej zastosowanie w przypadku konieczności zwiększenia prędkości spawania oraz wystę- powania przestrzeni pomiędzy łączonymi materiałami Niezależnie od wielu zalet proces CMT ma także swoje ograniczenia. Spawanie w kierunku „do góry” – pozycja PB – jest ograniczone z chwilą wejścia w zakres łuku przejścio- wego (mieszanego pomiędzy zwarciowym a natryskowym). Spawanie w dół ograniczone jest wymaganiami odnośnie do kształtu złącza, szczególnie przy niebezpieczeństwie po- wstawania efektu ściekania spoiny. Przy porównaniu procesu MIG/MAG łukiem zwarciowym i CMT przy tej samej prędkości spawania wyraźnie zaznacza się zmniejszenie strefy wpływu ciepła i różnicę w geometrii złącza przy CMT, zmniejszeniu ulega także prąd oraz napię- cie spawania.

Opis elementów składowych stanowiska.

Schemat stanowiska do spawania metodą CMT przedsta- wiono na rys. 3. Jest to stanowisko do spawania zrobotyzo- wanego, całkowicie cyfrowe i sterowane za pośrednictwem magistrali.

Kluczowym elementem stanowiska CMT jest uchwyt spawalniczy wraz z jednostką napędową. W celu realizacji ruchu drutu w obydwu kierunkach zastosowano bezprze- kładniowy, asynchroniczny silnik prądu przemiennego. Zapewnia on wysoką dynamikę podawania drutu oraz długą żywotność (brak elementów komutacyjnych). Nowość stanowi rozwiązanie dźwigni docisku rolki umożliwiający odczyt nastawy na skali (nawet po otwarciu) i ustawienia siły w sposób wygodny i powtarzalny. Cyfrowy układ stero- wania zapewnia wysoką dokładność i powtarzalność nastaw prędkości podawania drutu. Dzięki innowacyjnej konstrukcji kształt jednostki napędo- wej uchwytu spawalniczego CMT został zoptymalizowany. Nie stanowi większego utrudnienia przy realizacji zadań spa- walniczych. Waga i położenie środka ciężkości zostały tak zaprojektowane, aby zapewnić jak najlepszą kinematykę osi robota. Znaczącą zaletą uchwytu jest bezproblemowa moż- liwość wykonania obrotu wokół 6. osi robota. Za pomocą specjalnego oprogramowania 3D można przeprowadzić symulację możliwości dostępu do wykonania spoin w da- nych detalu. Fajki uchwytu są wymienne. Można stosować standardo- we fajki typu Robacta. Zintegrowany z korpusem uchwyt mocujący zmniejsza ilość części niezbędnych do zainstalo- wania na ramieniu robota.

Serwonapęd prądu przemiennego, zainstalowany w uchwy- cie spawalniczym, umożliwia realizację procesu CMT, dzięki szybkim zmianom prędkości i kierunku podawania drutu. Ruch ten (naprzód-wstecz) może osiągać częstotliwość do 70 Hz. Jeśli porówna się przyspieszenie drutu w urządze- niu CMT z przyspieszeniem drutu w tradycyjnej metodzie MIG/MAG, to w przypadku CMT jest ono 130 razy większe! Funkcja Synchropuls (zmiany prędkości podawania drutu – pulsacja materiału spoiwa pulsacja w zakresie 0-5 Hz – odpowiednio zsynchronizowana z pulsacją prądu spawania) może odbywać się przy dużo większych często- tliwościach. Osiąga się w ten sposób mniejsze odkształce- nia łączonych elementów nawet przy dużych prędkościach spawania. Proces bezodpryskowego zajarzania łuku (tzw. SFI – ang.: Spatter Free Ignition) jest ok. dwukrotnie szybszy w porów- naniu z SFI przy metodzie MIG. Skraca to cykl produkcji danego detalu.

Zastosowanie praktyczne procesu CMT

Można wyróżnić trzy podstawowe zakresy zastosowania metody CMT:

• bezodpryskowe lutospawanie metodą MIG,
• łączenie elementów stalowych i aluminiowych ze sobą przy wykorzystaniu spawania łukowego,
• spawanie cienkich elementów.

Wszystkie dotychczas stosowane metale, materiały i spoiwa stosowane w tradycyjnej metodzie MIG/MAG mogą znaleźć zastosowanie w metodzie CMT. Metodę CMT z powodzeniem można stosować do wyko- nywania złączy doczołowych, zakładkowych, brzeżnych oraz pachwinowych w pozycjach PA (korytkowa), PB (naboczna), PC (naścienna), PG (naścienna z góry w dół).

Spawanie cienkich elementów

Trzecim obszarem zastosowania metody CMT jest łączenie stali i aluminium. W połączeniach cieplnych tych materiałów największym problemem jest występowanie kruchej, ulegającej łatwemu pękaniu strefy międzymetalicz- nej pomiędzy stalą a aluminium. W celu uzyskania złącza o zadowalających parametrach wytrzymałościowych nie- zbędne jest zachowanie (utrzymywanie) wąskiej (niskiej) fazy międzymetalicznej. Jest to możliwe przy zastosowaniu metody CMT, dzięki ograniczonej ilości energii cieplnej dostarczanej do złącza.

Zasada łączenia stali z aluminium jest następująca: krawędź elementu aluminiowego jest przetapiana i następuje wymieszanie materiału rodzimego z materiałem spoiwa, podczas gdy krawędź elementu stalowego jest zwilżana przez ciekły materiał spoiwa i w ten sposób następuje proces lutospawania (elementu stalowego). Niezbędnym warunkiem jest także zastosowanie elementu stalowego pokrytego galwanicznie warstwą cynku. Pomiary wytrzymałości złącza stalowo-aluminiowego wykonanego przy zastosowaniu łuku spawalniczego wyka- zują, że jest ona zbliżona do wytrzymałości złącza aluminium-aluminium.

Inne obszary przemysłowego wykorzystania

Metoda CMT może znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest doskonała jakość i wygląd złącza (brak odprysków), wyeliminowanie dodatkowej obróbki po spa- waniu, duża szybkość i wydajność procesu spawania. Dlatego CMT zastosowano natychmiast w przemyśle sa- mochodowym (koncern Volkswagen-Audi, Mercedes, Toyota, Hyundai, KIA, Skoda), meblarskim, lotniczym – z uwagi na nieosiągalne dotychczas efekty spawalnicze i właściwości procesu. Interesujące wyniki uzyskano podczas prób wykonania spoin przetopowych elementów zrobionych ze stali nisko- węglowych w 100% osłonie CO2, z użyciem urządzenia do spawania ręcznego TPS 2700 CMT.

Cechy charakterystyczne uzyskiwanych spoin przetopowych przy zastosowaniu metody CMT:

• całkowity brak odprysków spawalniczych przy spawaniu w mieszankach gazowych, a w szczególności w czystym CO₂;
• możliwość wykonywania spoin przetopowych w każdej pozycji (w szczególności PA, PF, PG);
• gwarancja uzyskania pełnego przetopu nawet przy dużych odstępach pomiędzy łączonymi elementami (nawet 5 mm);
• możliwość utrzymania tej samej szybkości spawania w 100% CO2, jak i w miesznkach Ar/CO₂

Uniwersalność urządzeń spawalniczych Fronius serii TPS 2700 / 3200 / 4000 / 5000 CMT pozwala na uzyskanie do- skonałych spoin przetopowych metodą CMT, a także po prze- łączeniu na proces MIG/MAG puls lub MIG/MAG standard kontynuację prac związanych z wykonywaniem warstw wy- pełniających. Podczas szeregu prezentacji systemu CMT, przeprowadzo- nych wśród naszych dotychczasowych i potencjalnych klien- tów, okazuje się, że ta innowacyjna metoda może znaleźć zastosowanie w wielu różnorodnych obszarach spawalnictwa. Zapraszamy do sprawdzenia możliwości metody Cold Metal Transfer w Państwa procesach produkcyjnych. Pro- ponujemy bezpłatne próby spawalnicze (spawanie ręczne, zmechanizowane, zrobotyzowane, także w dłuższym okresie produkcji), mające na celu sprawdzenie przydatności metody CMT, możliwości obniżenia kosztów (np. redukcji obróbki powykonawczej), zwiększenia prędkości spawania, poprawy jakości i estetyki wykonywanych spoin itp. Pozostajemy do Państwa dyspozycji.

mgr inż. Jacek Szulc