I generatori AC/DC con il controllo della forma d onda: l innovazione nella saldatura ad arco sommerso ( )

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1 I generatori AC/DC con il controllo della forma d onda: l innovazione nella saldatura ad arco sommerso ( ) G. Pedrazzo * C.A. Barone * G. Rutili ** Sommario / Summary L adozione di sistemi di generazione di potenza basata sull uso di inverter di ultima generazione ad elevata efficienza unitamente ad un controllo della forma d onda, sia per quanto riguarda la frequenza e la durata del periodo nonché il rapporto tra le semionde positive e negative, fanno sì che si possano concepire processi di giunzione con esecuzione mista AC/DC. Regolando opportunamente i parametri che controllano la forma dell onda si possono ottenere risultati interessanti e misurabili in termini di produttività; forma del cordone e penetrazione, apporto termico e distorsioni. Il presente articolo spiega questi aspetti e presenta una sperimentazione condotta presso il laboratorio Processi Speciali di Saldatura (PSS) dell Istituto Italiano della Saldatura nella realizzazione di cordoni di saldatura su laminati piani in acciaio strutturale (C-Mn) adottando una metodologia SAW di stampo convenzionale in parallelo con un altra Full Wave Control. Lo studio comparativo permette di constatare il reale impatto dell innovazione. The introduction of highly efficient inverter based power systems of the last generation which allow a full control of the wave shape both in frequency, balance and offset has changed the possibilities of welding with the Subarc process. By controlling the parameters which determine the wave form it is possible to achieve outstanding results in terms of productivity, bead shape and penetration, heat input and reduction of distortions. The paper presents experimental tests made at the laboratory Processi Speciali di Saldatura (PSS) of the Italian Welding Institute. Several beads on C-Mn plates have been deposited both with a conventional Subarc Equipment and with the new technology Full Wave Control provided by the Power Wave AC-DC by Lincoln Electric. The compared results give a clear view of the potential of the new technology. Keywords: Carbon manganese steels; efficiency; energy input; penetration; plate; process parameters; submerged arc welding; waveform; weld shape; welding inverters; welding power sources. ( ) Memoria presentata alle Giornate Nazionali di Saldatura 4 - Workshop: Sviluppi e tendenze dei processi di saldatura tradizionali - Genova, Ottobre * Lincoln Electric Italia S.r.l. - Genova. ** Istituto Italiano della Saldatura - Genova. 627

2 1. Introduzione A differenza dei processi di saldatura ad arco aperto, il processo di saldatura ad arco sommerso ha subìto, negli anni, una evoluzione poco significativa, almeno dal punto di vista del controllo e della gestione dell arco. Per i processi a filo continuo con protezione gassosa, infatti, al di là dell evoluzione dei materiali d apporto (fili animati per FCAW; fili autoprotetti), si sono affermate negli anni le seguenti tendenze di sviluppo: impiego di elettronica di potenza applicata al processo che ha consentito una modulazione delle forme d onda applicate all arco pulsato tale da ottimizzare i parametri in funzione degli obiettivi/performances fissati; utilizzo di fili multipli (Tandem MIG) finalizzato all aumento di produttività; procedimento STT per trasferimento in short arc con distacco della goccia pilotato dall andamento della corrente nell arco; modalità di trasferimento del materiale d apporto finalizzate all ottenimento di elevati tassi di deposito, grazie all abbinamento con miscele quaternarie, che hanno richiesto la messa a punto di generatori sinergici di elevata potenza dotati di software di gestione dedicati. Nel processo ad arco sommerso la possibilità di regolazione dei parametri era fino a poco fa limitata al controllo della velocità del filo (o corrente) e della tensione. Miglioramenti sostanziali del tasso di deposito con il mantenimento di buone caratteristiche meccaniche si sono avuti con lo sviluppo dei sistemi multiarco largamente usati nella produzione di tubazioni. Oggi questo limite è stato superato grazie all introduzione dell elettronica di potenza che, anche nell ambito della tecnologia ad arco sommerso, consente l ottimizzazione dell arco garantendo la gestione ed il controllo di più parametri elettrici in funzione dei requisiti da soddisfare. Figura 1 Il presente articolo si propone di illustrare, tramite prove sperimentali, l influenza dei vari parametri sui quali si può agire grazie alla tecnologia Power Wave AC/DC 1000 sviluppata dalla Lincoln Electric. La sperimentazione condotta è mirata a stabilire una correlazione tra i parametri elettrici e il tasso di deposito e la geometria del cordone in applicazioni con il processo ad arco sommerso. Esperienze in produzione, in differenti applicazioni industriali, hanno evidenziato i vantaggi derivanti dalla possibilità di agire sulla forma dell onda in corrente alternata: elevati depositi, tipici del DC- con cordoni più larghi e raccordati oppure maggiore penetrazione, in funzione delle specifiche richieste; migliore aspetto del cordone; maggiore stabilità dell arco; migliore innesco; regolazione (contenimento) dell apporto termico specifico (rispetto all apporto tipico associato alla convenzionale alimentazione in DC-); riduzione dei fenomeni di distorsione termica nella saldatura di lamiere sottili; riduzione dei fenomeni di soffio magnetico; semplicità di gestione/controllo del processo di saldatura. La campagna di prove è stata condotta utilizzando un generatore Power Wave AC/DC 1000 che permette un controllo completo dei principali parametri elettrici, con la possibilità di utilizzare varie forme d onda per la corrente (Fig. 1). Power Wave AC/DC 1000 infatti, utilizzando una unità modulare a tecnologia inverter basata su controllo digitale, consente di gestire in maniera flessibile, senza modifiche hardware e senza cambiare cablaggio, i parametri caratteristici: utilizzo della caratteristica a Corrente Costante o della caratteristica a Tensione Costante (CC vs. CV); utilizzo di Corrente Continua (DC+ o DC-) o Corrente Alternata (AC) con onda sinusoidale o quadra; possibilità di utilizzare frequenze da 10 Hz a 100 Hz; controllo del bilanciamento dell onda che permette di impostare una maggiore o minore percentuale di componente DC+; controllo della compensazione (Offset) che consente di variare il rapporto tra l ampiezza delle semionde positive e negative. 2. Saggi realizzati Si è scelto di realizzare una serie di cordoni bead on plate, per eliminare le eventuali differenze dovute alla forma del cianfrino, mantenendo costanti i parametri elettrici e geometrici. Corrente: 500 A Tensione: 30 V Stick out: 25 mm 628

3 Velocità di saldatura: 580 mm/min Filo: Ø 3.2 mm Heat Input: 1.5 kj/mm I saggi realizzati ed i parametri utilizzati sono riportati nella Tabella I. 3. Power Wave AC/DC 1000 a confronto con sistemi tradizionali Grazie alla possibilità di gestire in modo indipendente frequenza, bilanciamento dell onda (Balance) e compensazione (Offset), la tecnologia Power Wave AC/DC 1000 rende possibili i tassi di deposito tipici di un DC- senza gli aspetti negativi di solito legati alla polarità DC-, come il soffio magnetico. Consente inoltre il controllo della geometria superficiale del cordone limitando l eccessiva convessità del sovrametallo. Questo aspetto è utile per ridurre il rischio di incisioni marginali e possibili zone d ombra, in applicazioni multipass, con conseguenti rischi di inclusioni di scoria e per ridurre lo spessore del rivestimento delle tubazioni. L uso del processo ad arco sommerso in modalità DC+, che con macchine convenzionali è l unico a garantire facili inneschi e stabilità d arco, comporta una buona profondità di penetrazione, il controllo della quale viene ottenuto Figura 2 +ampere -ampere I Ciclo tramite la regolazione della corrente di saldatura, associata alla velocità del filo. L utilizzo di una tecnologia basata su corrente alternata modulata in onda quadra permette invece di scegliere accuratamente la profondità di penetrazione senza peraltro dover rinunciare ad una elevata produttività (elevato tasso di deposito). Inoltre, rispetto alle convenzionali tecnologie basate sull impiego di corrente alternata con onda sinusoidale, la tecnologia Power Wave AC/DC 1000 presenta il vantaggio di un arco più stabile. Il di transizione è una tipica causa di instabilità dell arco normalmente associata con la modalità AC. Come si può rilevare dalla Figura 2, il di transizione per un onda sinusoidale è maggiore di quello dell onda quadra di pari valore efficace di corrente. La riduzione del periodo di transizione si traduce ovviamente in maggiore stabilità dell arco. TABELLA I - Saggi realizzati nel programma sperimentale. Saggio Corrente Controllo Polarità Frequenza [Hz] Bilanciamento Offset A DC CC + n.a. 0 B DC CC - n.a. 0 C AC CC n.a % 0 D AC CC n.a % 0 E AC CC n.a % 0 F AC CC n.a % -25 G AC CC n.a % +25 H AC CC n.a % 0 I AC CC n.a % 0 L AC CC n.a % 0 M AC CC n.a % 0 N AC CC n.a % +25 O AC CC n.a % -25 P AC CC n.a % -25 Q AC CC n.a %

4 +ampere +ampere -ampere -ampere Figura 3 Figura 4 4. Effetti del bilanciamento dell onda quadra Il bilanciamento è espresso come percentuale di componente DC+. Nelle Figure 3 e 4 si rappresentano schematicamente le due situazioni estreme di bilanciamento. La situazione nella Figura 3 rappresenta un bilanciamento 25% ovvero per il 25% del l arco è positivo, mentre per il rimanente 75% è negativo. Il caso opposto si verifica per la situazione rappresentata nella Figura 4. La possibilità di bilanciare la percentuale di polarità positiva o negativa incide sul controllo del tasso di deposito e la profondità di penetrazione. Con una più alta percentuale di corrente positiva si otterranno infatti profondità di penetrazione più elevate e minori tassi di deposito. Le prove sperimentali condotte hanno consentito di mettere a confronto i risultati ottenuti utilizzando le tecnologie convenzionali DC+ e DC-, con i risultati ottenibili mediante la modulazione dell onda quadra. Si riportano nella Tabella II i valori ottenuti per le grandezze ritenute significative per la qualità di forma e di profilo del cordone e per la quantità di deposito ottenibile. Al diminuire della percentuale di componente positiva, tra i due estremi convenzionali DC+ e DC- si verifica un Figura 5 - Effetti del bilanciamento sull onda quadra. aumento del tasso di deposito cui corrisponde una diminuzione della profondità di penetrazione. Tra il provino E ed il provino D, ovvero tra i due estremi del bilanciamento, si rileva un aumento del tasso di deposito pari circa al 22%, TABELLA II - Parametri significativi del deposito di saldatura. P ro v i n o Mod. Bilanciamento Offset Frequenza Controllo V media avanzamento filo Velocità di esecuzione Tasso di deposito Larghezza cordone Profondità di penetrazione Sovrametallo Hz mm/s cm/min g/s mm mm mm A DC+ # 0 60 CC E AC 25% 0 60 CC C AC 75% 0 60 CC D AC 25% 0 60 CC B DC- # 0 60 CC

5 TABELLA III - Variazioni dell Offset e risultati ottenuti. P ro v i n o Mod. Bilanciamento Offset Frequenza Controllo V media avanzamento filo Velocità di esecuzione Tasso di deposito Larghezza cordone Profondità di penetrazione Sovrametallo Hz mm/s cm/min g/s mm mm mm G AC 50% CC C AC 50% 0 60 CC F AC 50% CC mentre la profondità di penetrazione è diminuita del 29% circa. Si rileva inoltre che la geometria del cordone risulta sempre meglio raccordata all aumentare della componente positiva. Pur essendo uguale il valore dell apporto termico calcolato, è importante evidenziare che, all aumentare della percentuale di componente negativa, aumenta la percentuale di energia termica localizzata sul filo, riducendo la quota parte di energia termica che si distribuisce sul pezzo da saldare con la conseguenza di un minore ingrossamento del grano. La Figura 5 illustra in dettaglio l influenza del bilanciamento sull onda quadra. 5. Effetto della compensazione (Offset) La variazione dell Offset, riportata nella Figura 6, rappresenta la capacità del sistema di aumentare o diminuire la dimensione della porzione positiva o negativa dell ampiezza totale della corrente. Il range di variabilità consentito dal sistema è tra +25% e 25% in maniera continua. Un valore dell Offset pari a +25% equivale ad un aumento della componente positiva, con conseguente aumento della profondità di penetrazione a svantaggio del tasso di deposito. In maniera diametralmente opposta un valore di 25%, con conseguente abbassamento della curva a favore di una componente negativa più elevata, consentirà un tasso di deposito più elevato ed un valore della profondità di penetrazione inferiore. Si riportano nella Tabella III i risultati della sperimentazione condotta. Sono stati messi a confronto i risultati ottenuti con i valori estremi dell Offset consentito. Con un Offset pari a +25%, quindi con una maggiore ampiezza della semionda positiva (tra +375 e 625 ), si è ottenuto un giunto con buona profondità di penetrazione, +500 ampere 4.7 mm, ma tasso di deposito inferiore a quello ottenuto con Offset 25%, ovvero con 0 diagramma di corrente traslato verso il basso (tra -375 e +625 ). Tra il provino G ed il provino F, ovvero tra i due estremi del range dell Offset, si rileva un aumento del tasso di deposito pari a circa il 13%, mentre la profondità di penetrazione è diminuita del 21% circa. La Figura 7 illustra i risultati ottenuti. 6. Effetto della frequenza Rispetto all alimentazione di rete, 50 o 60 Hz, la tecnologia Power Wave AC/DC 1000 consente un più ampio range di variabilità, compreso tra i 10 e i 100 Hz. Le prove condotte dai colleghi americani sembrano mostrare un andamento non lineare della profondità di penetra- Tot. ampere 50% Positivo 50% Negativo 50% Positivo 50% Negativo 25% Positivo 75% Negativo Tot. ampere -500 ampere Figura 6 - Variazioni dell Offset. Figura 7 - Variazioni dell Offset. 631

6 ampere -500 ampere illustrato nella Figura 10. I valori rilevati possono essere salvati su file di testo per una visualizzazione futura. Il sistema consente il controllo remoto in alternativa all utilizzo della cassetta controllo, sia per arco singolo che per sistemi multiarco, pur mantenendo facilità di utilizzo sia per gli operatori che per i controllori. Sono inoltre disponibili programmi di diagnostica con i quali: è possibile eseguire la calibrazione degli strumenti del generatore in modo facile e preciso; è possibile verificare periodicamente l integrità ed il deterioramento dei cavi di potenza misurandone la resistenza ed il valore di induttanza rispetto al valore registrato all avviamento dell impianto. Figura 8 - Risultati ottenuti con la variazione di frequenza. zione con la frequenza, con la tendenza a una diminuzione della penetrazione alle frequenze più alte. Le prove da noi condotte confermano questo andamento e anche la necessità di approfondire l influenza della frequenza con una campagna di prove più estesa. La Tabella IV e la Figura 8 illustrano sia i parametri sperimentali che il risultato del cambio di frequenza. 7. Comunicazione software Uno dei vantaggi rappresentati dall impiego della tecnologia Power Wave AC/DC 1000 è costituito dalla possibilità di interfacciarsi via software con la macchina in modo semplice, direttamente tramite un normale PC (Fig. 9). I software disponibili consentono la visualizzazione su grafico dinamico di corrente, tensione e velocità filo, come 8. Conclusioni Le prove condotte confermano le enormi potenzialità di miglioramento della produttività e di controllo della geometria del cordone ottenibili con l impiego del Power Wave AC/DC 1000 nell esecuzione di giunti saldati in arco sommerso grazie alla possibilità di controllare in modo indipendente: la caratteristica dell arco (CC / CV); la modalità di esecuzione, se in DC o Indicatore arco Stato macchina Valori di lavoro Corrente/WFS Controllo filo a freddo Figura 9 - Gestione informatica della macchina tramite PC. Figura 10 - Andamento dei parametri elettrici di processo. 632

7 TABELLA IV - Variazioni della frequenza e risultati ottenuti. P ro v i n o Mod. Bilanciamento Offset Frequenza Controllo V media avanzamento filo Velocità di esecuzione Tasso di deposito Larghezza cordone Profondità di penetrazione Sovrametallo Hz mm/s cm/min g/s mm mm mm H AC 50% 0 20 CC I AC 50% 0 40 CC C AC 50% 0 60 CC L AC 50% 0 80 CC M AC 50% CC in CA sinusoidale o CA a onda quadra; le frequenze in un range di variabilità da 10 Hz a 100 Hz; il bilanciamento dell onda; la compensazione (Offset). Queste potenzialità sono state verificate con successo in diversi comparti industriali, con l utilizzo in produzione di questa tecnologia per la saldatura di recipienti in pressione su un ampia gamma di materiali e spessori, per la saldatura di strutture e carpenteria pesante, per la saldatura di tubazioni per il trasporto di gas e tubazioni per applicazioni strutturali. Giovanni PEDRAZZO, laureato in Ingegneria Meccanica, è il Direttore Commerciale Lincoln Electric Italia per il Sud-Est Europa. Dal 1976 in Ansaldo Energia (Genova) alla progettazione turbine a vapore, quindi dal 1981 in ARMCO (Genova), in qualità di Responsabile consumabili, robotica, taglio automatico e procedimenti di saldatura. Dal 1985 in Lincoln come Responsabile della filiale italiana. Ha ottenuto la certificazione European Welding Engineer. Carmela Andrea BARONE, ha conseguito nel 2003 la laurea in Ingegneria Meccanica presso il Politecnico di Bari. Dal 2003 al 2007 ha lavorato nell ambito della manutenzione e costruzione di impianti industriali presso la Società Cestaro Rossi S.p.A. di Bari. Dal 2007 riveste il duplice ruolo di Weld Tech Manager e Consumables Manager presso la Lincoln Electric Italia S.r.l.. Gianluca RUTILI, laureato in Ingegneria Meccanica presso l Università di Genova. Funzionario dell Istituto Italiano della Saldatura dal 2001, attualmente è in forza all Area Ricerca Processi Speciali Saldatura. Si occupa di ispezione, assistenza e sviluppo dei processi di saldatura manuali ed automatizzati e svolge attività di ricerca sulla saldatura di materiali avanzati e sui procedimenti di saldatura innovativi con particolare indirizzo sui sistemi a filo continuo, ad arco sommerso, laser, saldatura/taglio plasma e friction stir welding. Norme per la qualificazione dei saldatori, degli operatori di saldatura e dei brasatori elaborate dal CEN /TC121 Welding EN EN 1418 EN ISO EN ISO EN ISO EN ISO EN EN ISO EN ISO Qualification test of welders - Fusion welding - Part 1: Steels Welding personnel - Approval testing of welding operators for fusion welding and resistance weld setter for fully mechanized and automatic welding of metallic materials Qualification test of welders - Fusion welding - Part 2: Aluminium and aluminium alloys Approval testing of welders - Fusion welding - Part 3 - Copper and copper alloys Approval testing of welders - Fusion welding - Part 4 - Nickel and nickel alloys Approval testing of welders - fusion welding - titanium and titanium alloys, zirconium and zirconium alloys Brazing - Brazer approval Approval testing of welders for underwater welding - Part 1: Diver-welders for hyperbaric wet welding Approval testing of welders for underwater welding - Part 2: Diver-welders and welding operators for hyperbaric dry welding 633