A korszerű hegesztési eljárások fejlődése a készülékgyártásban és a javításban.

Átírás

1 A korszerű hegesztési eljárások fejlődése a készülékgyártásban és a javításban. Komócsin Mihály * A hegesztéssel szemben támasztott igények az utóbbi években is érzékelhetően növekedtek, mert a készülékgyártásban alkalmazott új anyagok sajátos követelményeket támasztanak a gyártási technológiával szemben. Ugyanakkor növekedtek a minőség javítására és ennek ellenőrzésére, a biztonság növelésére vonatkozó elvárások is. Ennek együttes hatásaként a hegesztés területén is érvényesülnek a műszaki fejlesztés alapvető trendjei, mint: az eljárások termelékenységének növelése, a hegesztési eljárások alkalmazási körét szélesítő fejlesztések bevezetése az ipari gyakorlatba, a mikroprocesszor vezérlés, számítógépes szabályozás és statisztikai alapú folyamatirányítás, nagy energiasűrűségű eljárások (lézer-, elektronsugaras hegesztés és vágás) széles körben ipari technológiává válása. A készülék gyártás anyagainak fejlődése A technológiai folyamatok intenzifikálása, a súlycsökkentés igénye, az élettartam növelésre való törekvés a készülékgyártókat arra inspirálja, hogy az anyagtudományi fejlesztések eredményeit átültessék a gyakorlatba. Ezek az új fejlesztésű anyagok, mint a termomechanikusan kezelt nagy folyáshatárú szerkezeti acélok, a duplex szerkezetű vagy a szegregátumokkal szilárdított korrózióálló acélok, a kiválással keményedő alumínium ötvözetek, a nagy hőmérsékleten is kiváló tulajdonságokkal rendelkező titán ötvözetek vagy az unikális korrózióállóságú cirkónium már megjelent a hazai készülékgyártásban is. Ugyancsak terjednek a társított anyagok, amelyek vagy szálerősítéssel, whisker adalékkal növelik az anyag mechanikai igénybevételekkel szembeni ellenállását vagy felületbevonatolással társítják az alapanyag kedvező mechanikai tulajdonságát és csekélyebb árát a fémes, keramikus vagy polimer anyagú felületi réteg korrózióval szembeni kiemelkedő ellenállását. Az új fejlesztésű fémes anyagok egyes tulajdonságaiban elért javulást már nem a hagyományos ötvözéssel érik el, mert ennek lehetőségeit már az elmúlt évtizedekben kimerítették, hanem sajátos fémtani állapotot hoznak létre a kohászati eljárások, hőkezelés vagy sugár kezelések révén. Ezekeknek a fémeknek a fémtani szerkezete instabil, az egyensúlyit meghaladó energia szintű. Ezért általában igen érzékenyek minden, a feldolgozásuk során őket érő hatásra, mert labilis egyensúlyukból a feldolgozás során bennük elnyelődő energia, legyen ez az alakítással járó mechanikai, a vagy a vágásukkal ill. hegesztésükkel járó hőenergia képes kibillenteni és az egyensúlyihoz közelebbi energia állapotba hozni. A fémes fémtani szerkezetek belső energiájának csökkenése egyben azt is jelenti, hogy a gyártásuk során célirányosan kialakított tulajdonságaikban romlás következik be. * egyetemi docens, Miskolci Egyetem

2 Ahhoz, hogy ezeknek az anyagoknak az előnyös tulajdonságait a belőlük készült termékeknél ki lehessen használni, a gyártási technológiákban, ezek között a hegesztésben és a vágásban erre tekintettel kell lenni. Mint az közismert a hegesztett kötés létrehozásakor az anyagot az eljárástól függő nagyságú hőhatás éri. A hőhatás nagyságának szabályozhatósága és a hegesztendő anyag megkövetelte szokatlanul kis, vagy szokatlanul nagy értékének előállíthatósága az a fejlesztési irány, amelyet az új fejlesztésű anyagok alkalmazása megkövetel. A termomechanikusan kezelt, vagy a kiválással szilárdított anyagok hegesztése ill. termikus vágása során a nagyobb hőmérsékletre hevült anyagtérfogatokban a szilárdsági tulajdonságok leromlása nem kerülhető el. A hegesztési hő hatására a termomechanikusan kezelt acéloknál a szemcsék növekedésnek indulnak, csökkentve ezzel a folyáshatárt, a kiválással szilárdított anyagoknál viszont a szegregátum megy ismételten oldatba. Egy hegesztett kötés szilárdsága természetesen függ attól, hogy mekkora ez a leromlott tulajdonságú anyagtérfogat a hegesztett kötés hőhatásövezetében, de attól is függ, hogy ennek milyen az elhelyezkedése az igénybevétel irányához viszonyítottan. Abban az esetben, ha a hegesztett kötés varratát a szokásosnál több sorral készítik el, akkor a kisebb szakaszenergia eredményeként egyrészt csökken a leromlott tulajdonságú anyagtérfogat, másrészt a varratfelépítés célszerű megtervezésével elérhető, hogy ezek a leromlott anyagrészek az igénybevétel irányához viszonyítva eltolva helyezkedjenek el. Ezeknek a megoldásoknak az a feltétele, hogy kellően kicsiny ívteljesítmények vagy nagyobb hegesztési sebességek mellett is lehessen stabil ívet és kellő beolvadást fenntartani. Ugyancsak kisebb lesz a hegesztett kötés hőhatásövezetében a leromlott anyagtérfogat, ha a hegesztéshez használt hőforrás nagy, 10 kw/mm 2 energia sűrűségű és egyben nagy sebességgel is mozgatható. A nagy energiakoncentráció a hegfürdő igen gyors megolvadását teszi lehetővé megakadályozva ezzel, hogy számottevő hőveszteség keletkezzen a hővezetés révén. Ilyen nagy energia koncentráció a sugárenergiákkal, az elektron és a lézer sugárral érhető el. Az előadás a készülékgyártásban számottevő eljárások fejlesztése terén elért eredmények bemutatására korlátozódik. Fogyóelektródás, védőgázos ívhegesztés A fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztés területén az elmúlt években a fejlesztések négy, igen lényeges kérdéskör köré csoportosíthatók: hegesztő tápegységek, különös tekintettel a mikroprocesszor vezérlésre, a hegesztőív pulzáló feszültséggel való táplálása, az impulzusíves hegesztés hegesztő hozaganyagok fejlesztése, új, fémpor bázisú portöltetű huzalok kidolgozása, részben a hegesztő berendezések fejlesztéseként elért eredmények teljesebb kiaknázása érdekében új védőgázkeverékek alkalmazása, Komócsin Mihály 2/7

3 Alapvető változást jelentett a hegesztő tápegységek fejlesztésében az IGBT tranzisztor, ezáltal a 20 khz-vagy ezt lényegesen meghaladó frekvenciájú impulzusok állíthatók elő, aminek révén mód nyílt az inverter technika alkalmazására. Az inverteres tápegységek előnyei a gyors szabályozás, kis tömeg és kis méret, jó hatásfok és teljesítménytényező, de legfőképp a minőségileg új szabályozhatóság lehetősége. Az inverteres tápegységek nyújtotta előny a telepített berendezésekben a gyakorlatilag fokozatmentesen beállítható frekvenciájú impulzus áram. Az impulzus íves hegesztéssel megoldható az egy impulzus-egy csepp, vagyis a szabályozott cseppátmenet. A cseppátmenet ezáltal a cseppméret szabályozásával a védőgázos fogyóelektródás ívhegesztés alkalmazási köre lényegesen kiszélesedik, leküzdve a vékony falvastagság, a korlátozott hőkapacitás vagy a kényszerhelyzetű hegesztésekkor a hegfürdő kezelhetősége okozta nehézségeket. Kis ívteljesítményeknél is elérhető az igen stabil ívet eredményező permetes anyagátvitel egyben a fröcskölés mentesség. A szabályozott időközönkénti változású árammal el lehet érni, hogy a kis alapáramú szakaszban az ív stabilan fennmaradjon, némi hozaganyag megolvadás mellett, míg a nagyáramú szakaszban az olvadás hirtelen felgyorsuljon és a felerősödött mágneses térből származó erő leszakítsa akár még a gravitációs erő ellenében is a cseppet a hozaganyag végéről és azt a hegfürdőbe juttassa. A nagyobb íverők ugyanakkor - még kis ívteljesítménynél is mélyebb - hegfürdőt eredményezve biztos beolvadást hoznak létre. Az impulzusíves változat előnye a hagyományos eljárással szemben: kis átlagáramoknál, kis teljesítményeknél, vagyis kis fürdő térfogatoknál is el lehet érni az aprócseppes anyagátvitelt a rövid idejű, nagy csúcsáramokkal, ezáltal kihasználható az aprócseppes, zárlatmentes anyagátvitel előnye kényszerhelyzetű hegesztésekkor is. feltételezve az egy impulzus egy csepp feltétel teljesülését, az impulzus frekvenciával szabályozni lehet a csepp méretét, az aprócseppes anyagátvitelhez nem szükséges kis átmérőjű huzalt alkalmazni, így a kis átmérőjű huzalok előtolása okozta nehézségek elmaradhatnak. Az inverteres tápegységek gyors vezérlési lehetősége lehetővé, az impulzus íves technológia öt független beállítási paramétere szemben a hagyományos tápegységek két paraméterével, mintegy kikövetelte a mikroprocesszorok alkalmazását a hegesztő berendezés szabályozásában. A berendezésbe épített EPROM, vagy a korszerűbb gépeken a nagyobb tárkapacitású operatív memória akár több ezer, bevált gyári paraméterkombináció, a RAM ezek korrekcióját illetve saját kombinációk tárolását teszi lehetővé. Ennek számtalan előnyös alkalmazási területe közül csak a vízszintes tengelyű csövek hegesztésénél kívánatos folyamatos áramváltoztatás, a széria gyártás során az egyenletes minőség megkövetelte beállítás azonosság és egyszerű dokumentálhatóság lehetőségét emelve ki. A porbeles elektródahuzalok jelentős arányú felhasználása az Egyesült Államokban és Japánban már több évtizedes múltra tekint vissza. Európában felhasználásuk még a közelmúltban is marginális volt. A német iparban is már egyre nagyobb szerepet kap a porbeles elektródahuzal. Magyarországon is megkezdődött néhány jelentősebb hegesztett termékek gyártásánál a porbeles huzalok alkalmazása. Az európai terjedés nem kis mértékben köszönhető az alapvetően vaspor töltetű, ezáltal változatlan hőbevitel mellett is nagyobb beolvasztási teljesítményű, igen kellemes Komócsin Mihály 3/7

4 hegesztési tulajdonságú, növelt folyáshatárú ill. nagyszilárdságú acélok hegesztésére alkalmas porbeles huzalok kifejlesztésének. A hegesztőgáz gyártók - talán egymás konkurenciájuktól is hajtva -, de mindenképpen a hegesztés fejlődését szolgálva, a védőgázkeverékek széles palettáját dolgozták ki. Talán leglátványosabb eredményeket a nagy leolvasztási teljesítményt eredményező, forgóíves anyagátvitelt is lehetővé tevő Ar vagy Ar-He bázisú gázkeverékek kifejlesztésével érték el. De az új gázkeverékek között nemegy a nagy sebességű, (1...1,5 m/s) gépi hegesztés céljait, mások a gyakorlatilag fröcskölés mentes hegesztés elérését szolgálják. Volfrámelektródás, semleges védőgázas ívhegesztés A volfrámelektródás, semleges védőgázas ívhegesztésnél az utóbbi években a fejlesztés fő két fő irányát az eljárás egyik legfőbb hátrányát jelentő kis termelékenység növelésére való törekvés, míg a másik a kis hőbevitel mellett is megfelelő kötés létrehozására való törekvés jelentette. A nagyobb termelékenység elérésének számos megoldási útját vizsgálták többek között azt a lehetőséget is, hogy AWI ív teljesítményét egy néhányszáz W teljesítményű lézersugárral növelték meg. A lézer mély beolvadást biztosít, ezáltal a kötéskialakításkor kisebb leélezésre, a hegesztéskor kevesebb hozaganyagra van szükség, ezáltal az egységnyi kötéshossz lényegesen rövidebb idő alatt, és kisebb ráfordítással készíthető el. Az előbbiekben említett hibrid eljárás mellett a fejlesztők inkább a teljesítmény növelésének hagyományos útjait járták, vagyis: a hegesztés részleges gépesítése, a hozaganyag gépi előtolásának megoldásával új védőgázkeverékek alkalmazása, A gépi huzalelőtolású volfrámelektródás, semleges védőgázas ívhegesztésnél a teljesítmény eredményesen növelhető a huzal előmelegítésével. Az villamos ellenállásfűtéssel végzett előmelegítéssel az ívtől kisebb energia vonódik el a huzal leolvasztására, ami nagyobb hegesztési sebességet és nagyobb teljesítményt tesz lehetővé. A lüktetőíves védőgázas fogyóelektródás hegesztéskor, hasonlóan az impulzusíves változathoz a hegesztő áram, polaritás váltás nélkül egy viszonylag kis alapés egy nagy csúcsáram között változik szabályos ismétlődéssel. A különbség a frekvenciában van. A lüktetőíves hegesztéskor a frekvencia sokkal kisebb, 0,1 1 Hz. A lüktetőíves változat előnye a hagyományos eljárással szemben: kevésbé érzékeny az illesztési hézag változásaira, a fürdő mérete a beállított paraméterekkel tág határok között változtatható, így kényszerhelyzetben is jól alkalmazható, irányítható a beolvadási mélysége, így vékony lemezekhez is alkalmas, kisebb méretű (keskenyebb) a hőhatásövezet, kevésbé érzékeny a változó hőelvonásra (csökken az átroskadás veszélye) A korábban csaknem kizárólagosan alkalmazott argon védőgáz felváltása Ar- He gázkeverékekre az argonénál lényegesen nagyobb ionizációs potenciálú hélium miatt az ívoszlop átmérőjének a csökkenéséhez, az energia sűrűség növeléséhez Komócsin Mihály 4/7

5 vezet. A ív energiasűrűségének növekedése mélyebb beolvadást, az ív átmérőjének csökkenése kisebb varratszélességet, e kettő együttesen kedvezőbb varratalakot eredményez. A hélium argonénál jobb hővezetőképessége a hegesztési sebesség növelését teszi lehetővé. A felsorolt előnyök a nagy hővezetőképességű réz-, alumínium és titán ötvözeteknél és/vagy nagy hőkapacitású munkadaraboknál aknázhatók ki. Plazma ívhegesztés A plazmaívhegesztés területén számottevő eredménynek lehet tekinteni, hogy nem kis részben a plazma matematikai modelljének fejlesztése eredményeként olyan folyamatszabályozási rendszert sikerült kidolgozni, amely lehetővé teszi plazmaívhegesztést függőleges helyzetű varratok készítésére is, lényegesen kiszélesítve ezzel alkalmazási területét. Fogyóelektródás ívhegesztés bevontelektródával Ez a hegesztő eljárás több mint száz éves múltra tekint vissza, és sok-sok évtizeden keresztül domináns volt az alkalmazása a hegesztésben. Korábbi dominanciája, széleskörű elterjedtsége miatt a fejlesztés döntően erre az eljárásra koncentrálódott, így az utóbbi években áttörő, alapvető eredmény nem született ezen a területen. Az eljárást érintő fejlesztő munka az elmúlt években, - elsősorban a nagy szilárdságú acélok ipari elterjedésének köszönhetően -, a hegömledék diffúzióképes hidrogéntartalmának csökkentését célozta. Megjelentek a piacon a kettős bevonatú elektródák és az olyan bázikus salakot adó elektródák is, amelyek a felülről lefelé történő hegesztést is lehetővé teszik. Számottevő változásnak tekinthető, hogy egyre általánosabbá válik a kisebb teljesítményű tápegységek körében a könnyű, hordozható inverteres áramforrások alkalmazása. Fedett ívű hegesztés Az egyébként is egyik legnagyobb teljesítményű hegesztő eljárás teljesítményének további növelése évtizedek óta érvényesülő fejlesztési cél. Ez vezetett a többhuzalos-, a többhuzalos háromfázisú váltóáramú- és a tandem változatok kidolgozásához. A fejlesztések legújabb eredményeként kidolgoztak olyan fedőport is, amelyek a 3 m/min hegesztési sebességgel is alkalmazhatók. Ezek a fedőporok elsősorban az automatizált spirálvarratos csőgyártásban nyújthatnak számottevő előnyöket. Sugár hegesztések Az elektronsugaras hegesztés területén, amelyek az eltérő anyagú kötések hegesztésénél alapvető ipari technológiává vált, a fejlesztések ismét a kis vákuumú illetve atmoszferikus nyomású, hélium védőgázas eljárásváltozat irányában folynak jelentősen csökkentve ezzel a szükséges mellékidőt. Látványosabb fejlődés következett be a lézer hegesztésnél. Franciaországban üzembe helyezték a világ legnagyobb teljesítményű, 45 kw-os CO 2 lézerét, amellyel 40 mm vastag acéllemezek is hegeszthetők. Teljesen új irányt jelent a nagyteljesít- Komócsin Mihály 5/7

6 ményű, a hagyományos szilárdtest- vagy gázlézerekkel szemben lényegesen jobb hatásfokú dióda lézerek kutatása. Robotok és szenzorok a hegesztésben A robotok alkalmazása a hegesztés területén köznapivá, általánossá vált. Ez jó összhangban van azzal a ténnyel, hogy napjainkban a világon üzemelő, közel egy millió ipari robot mintegy harmada hegesztést végez. A robotok fejlesztése két irányban folyik: a hegesztő robotok árának csökkentését célzó, nagy szérianagyságban előállítható, leegyszerűsített moduláris elven felépülő robotok fejlesztése. a megoldandó hegesztési feladathoz leginkább illeszkedő, a környezetéből információkat gyűjtő, azt feldolgozó és a szabályozásba beépítő, kvázi intelligens robotok kialakítása a külső szenzorok alkalmazása révén. A moduláris felépítés filozófiája arra épül, hogy a robotizált cella, vagy gyártósori elem egy kis munkatartományú, olcsó szériagyártmányú, hat szabadságfokú hegesztő robotot alkalmaz, amelynek a feladathoz való illesztését a szoftveresen szabályozott perifériákon keresztül valósítják meg. A moduláris szerkezeti elemek, mint alaplapok, vízszintes vezető- és függesztőelemek, munkahelyváltó forgató- vagy billentőelemek, továbbá az egy és két szabadságfokú szabályozott perifériák, mint az utaztató-, forgató-, billentő egységek alkalmazása számos előnyt kínál, nevezetesen: a feladathoz legjobban illeszkedő, speciális rendszer kialakítása kipróbált sorozatelemekkel, olcsóbban, mint az egyedi fejlesztések esetén, a feladat változása esetén a rendszer egyszerű, olcsó és gyors átalakítási lehetősége. A hegesztő robotok mind szélesebb körű, gazdaságos alkalmazását teszik lehetővé a külső, opcionális szenzorok területén elért hardver és szoftver fejlesztési eredmények. A környezetéből információkat gyűjtő, azt feldolgozó és ez alapján a programját módosítani tudó robotok ma már általánosan elterjedtek az iparban. A munkadarab-robot alkotta rendszer összehangolását szolgáló Tool Center Point (TCP) kalibráló rendszer, amelynek lényege, hogy valamilyen taktilis szenzor a munkadarab egy kitüntetett pontjának változását érzékeli és ennek megfelelően a munkadarab hegesztési programját egy tengely irányában eltolja. Ezzel a sorozatgyártásban a munkadarab tájolásának a hibáit lehet kompenzálni azáltal, hogy a munkadarab definiált pontjainak a tényleges helyzetéhez illeszti a programot. A hegesztés során a hő hatására a varrat vonala a hőtágulás miatt elmozdulhat a kezdeti helyzetéből. Ez varratgeometriai vagy méret hibához vezethet. A hegesztő fejet lengetve és az ív jellemzőit (feszültségét vagy áramerősségét) a két lengetési végpontban összehasonlítva az esetleges eltolódás érzékelhető, és program eltolással kompenzálható. Új megoldást jelent ezen a területen a dinamikus ívérzékelő rendszer, amely a korábbi statikus karakterisztika helyett az ív dinamikus karakterisztikájára épül. Komócsin Mihály 6/7

7 A szenzorok között a legsokoldalúbban használható, de ugyanakkor a legköltségesebb, a robotéval összemérhető árúak az optikai szenzorok. Ezek a szenzorok megoldják a: a varrat kezdő- és végpont keresését, fűzővarratok felismerését, a részegységek méret ellenőrzését, varratvonal követést, a varratvájat kitöltés figyelését és a szükséges hegesztési munkarendi elemek, lengetés, huzalelőtolás, hegesztési sebesség szabályozását. A szoftver fejlesztések irányát - a robot jelenlétét nem igénylő -, off-line programozás jelöli ki. Ennek a programozási rendszernek az előnyét az adja, hogy termelésből nem kell kivonni a robotot a programozás idejére, ugyanakkor fogadni képes a CAD programokkal készített alkatrész ill. gyártmány adatokat. Ez a képessége lehetővé teszi egy magasabb szinten szervezett számítógép irányította termelési rendszerbe való integrálását. Komócsin Mihály 7/7