1 1 Aumento di produttività e controllo dell apporto termico con procedimento Hot Wire Tandem MIG Ing. Carmela Andrea Barone Lincoln Electric Genova Abstract Il filo caldo 'è spesso usato per aumentare il tasso di deposito nel procedimento TIG automatizzato (GTAW) o plasma (PAW). Il materiale d apporto è preriscaldato per resistenza (per questo è detto caldo ). Il preriscaldo del filo ne accelera la fusione consentendo tassi di deposito circa 2-3 volte superiori ai processi standard. Il processo Hot Wire Tandem MIG si basa su questo concetto utilizzando un sistema GMAW come fonte di calore primaria. Un secondo filo (tandem) preriscaldato aumenta ulteriormente il tasso di deposito rispetto ad un Tandem standard. L avanzato sistema di controllo della forma d'onda Waveform Control Technology Lincoln Electric consente il controllo dei parametri estendendo significativamente le potenzialità del processo, utilizzando forme d'onda pulsate sincronizzate per garantire la stabilità della saldatura ed elevati tassi di deposito (dell ordine dei 10-18 kg / ora). La speciale routine Suppression Arc permette ai generatori Power Wave di controllare il processo senza interferire con l arco. In questo processo brevettato, l arco si spegne in meno di 1 / 1.000 di secondo per mantenere il processo in corso anche con impostazioni molto alte di preriscaldo del filo.
2 2 Definizioni Tandem: Un processo ad arco costituito da due fili elettricamente isolati diretti nello stesso bagno di saldatura. Tandem MIG : Un processo tandem in cui entrambi i fili sono caricati elettricamente (Due fili / Due archi). Questo processo è noto per il suo elevato tasso di deposito e / o l elevata velocità di saldatura. Hot Wire Tandem MIG : Procedimento tandem in cui solo il primo filo genera un arco elettrico, il secondo filo è una resistenza riscaldata che alimenta, attraverso la propria fusione, il bagno di saldatura. Il procedimento Hot Wire Tandem MIG consente di ridurre l apporto termico e di controllare l apporto di calore. Il processo presenta una elevata stabilità dell'arco con tassi elevati di deposito e risultati esteticamente eccellenti grazie alla ridotta presenza di spruzzi. Descrizione del Processo Il termine filo caldo è usato per descrivere il sistema spesso usato per aumentare il tasso di deposito nel procedimento TIG automatizzato (GTAW) o plasma (PAW). Il materiale d apporto è preriscaldato per resistenza (per questo viene detto caldo ). Il preriscaldo del filo ne accelera la fusione consentendo tassi di deposito circa 2-3 volte superiori ai processi standard. Il processo Hot Wire Tandem MIG si basa su questo concetto utilizzando un sistema GMAW come fonte di calore primaria. Un secondo filo preriscaldato va ad aumentare ulteriormente il tasso di deposito rispetto ad un procedimento Tandem standard. L avanzato sistema di controllo della forma d'onda Waveform Control Technology Lincoln consente il controllo dei parametri di saldatura estendendo significativamente le potenzialità del processo, utilizzando forme d'onda pulsate sincronizzate per garantirne la stabilità ed elevati tassi di deposito (dell ordine dei 10-18 kg / ora). La speciale routine Suppression Arc permette ai generatori Power Wave di controllare il filo caldo senza interferire con l arco spegne in meno di 1/1.000 di secondo per mantenere il processo in corso, anche con impostazioni molto alte di preriscaldo del filo. Forma d onda Primo filo (Filo Lead): La modalità standard Tandem MIG Synchronized viene utilizzata per creare il bagno di saldatura e stabilire un segnale di sincronizzazione per il filo trail che segue. Secondo Filo (Filo Trail): una speciale modalità pulsata viene utilizzata per preriscaldare il secondo filo via via che viene alimentato nel bagno di saldatura. Lead: 300A Trail: 280A
3 3 I parametri di corrente sono simili in ampiezza mentre la forma d onda determina le condizioni di bassa tensione / basso apporto termico. Angolo tra le fasi (Phase Angle): uno sfasamento tra 0 º e 360 º che definisce la relazione tra la pulsazione del Lead e del Trail. Mentre il Tandem MIG Sincronizzato convenzionale opera generalmente con uno sfasamento di 180 º per minimizzare l interazione tra gli archi, il processo Tandem MIG a filo caldo opera con onde in fase consentendo al campo magnetico del filo Lead di tirare l'arco nel bagno di saldatura. Questa interazione contribuisce a stabilizzare l'arco evitando interferenze con altre forze magnetiche, migliora il trasferimento delle gocce dal filo Lead e riduce gli spruzzi. Lead Arc Lead Arc Trail Arc Tandem MIG Sincronizzato Trail Hot Wire Hot Wire Tandem MIG Arc Suppression: una rutine brevettata, che spegne l erogazione di corrente in meno di 1 millisecondo non appena venga rilevato un arco, consente ad un generatore standard (Power Wave ) di gestire elevati preriscaldi del filo. Foto 1 Foto 2 Foto 3 Foto 4 Foto 5 Foto 6 Foto 7 Foto 8 Foto 1: Funzionamento normale filo caldo Foto 2: L'estremità del filo inizia a fondere e strozzarsi Foto 3: Nel momento in cui si stacca la goccia si stabilisce un arco elettrico Foto 4: La routine di soppressione spegne l'arco in meno di 1 millisecondo Foto 5: Il filo (spento l arco) avanza verso il bagno Foto 6: Il filo tocca il bagno (ma senza spruzzi) Foto 7: Il filo torna a contatto col bagno Foto 8: Viene ripristinata l alimentazione che riscalda il filo.
4 4 Panoramica sul procedimento e potenzialità: Il processo Tandem MIG trova applicazione in tre categorie di applicazioni: elevata velocità o elevato tasso di deposito (settore Heavy Fabbrication), dove normalmente si suggerisce il processo Tandem MIG Sincronizzato tradizionale; ed applicazioni dove sia richiesto un basso apporto termico, per cui il sistema Hot Wire Tandem MIG esprime al meglio le proprie potenzialità. Tandem MIG Elevata velocità Elevato tasso di deposito Basso apporto termico Tandem MIG Sincronizzato tradizionale Hot Wire Tandem MIG Spessori < 6mm Spessori > 6mm Riduzione apporto termico dal 10% al 40% Saldatura Cladding Parametri del Procedimento Hot Wire Tandem MIG Lead arc: Modalità Tandem MIG sincronizzato standard Parametri di controllo: Velocità di avanzamento filo (WFS=Wire Feed Speed) Trim (o Tensione) Ultimarc. Trail wire (Filo caldo) Modalità Hot Wire Tandem Parametri di controllo: Velocità di avanzamento filo (WFS=Wire Feed Speed) Tensione Hot Start Ottimizzazione del rapporto tra le WFS del filo Lead ed il filo Trail per il controllo dell apporto termico: Il procedimento Hot Wire Tandem MIG è una combinazione di due processi: un procedimento ad arco più caldo ed un procedimento a filo caldo più freddo. L apporto termico totale è pari alla somma degli apporti termici dei due processi. L apporto termico è regolato dal rapporto tra le WFS dei due processi (ovvero dei due filli). Il processo è stato sviluppato con un ampio range di rapporti WFS Lead /WFS Trail. Quando è necessario un elevato apporto termico il rapporto WFS Lead /WFS Trail (un rapporto da 3:1 a 5:1 è considerato normale per saldatura mentre per la placcatura si utilizza un rapporto più bilanciato o 1:1). Ottimizzazione della tensione di riscaldamento: La tensione del filo trail (il filo caldo ) ne determina il riscaldamento per resistività. Il settaggio ottimale consente di riscaldare il filo fino a fonderlo. Quando la tensione è troppo bassa il filo fonde in maniera impropria entrando nel bagno non fuso e spingendo indietro la torcia.
5 5 Quando la tensione è impostata su un valore troppo alto il filo fonde prima di entrare nel bagno di fusione determinando la formazione di archi voltaici. La routine Arc Suppression è in grado di gestire fino a 2/4 archi per secondo senza problemi e, soprattutto, senza interrompere il processo ma quando il numero di archi che si formano incidentalmente aumenta, il bagno di saldatura diviene turbolento, l arco Lead diventa instabile ed aumentano gli spruzzi. Il grafico a destra rappresenta il riscaldamento del filo caldo (energia termica espressa in kj) e la frequenza di archi (hertz) in rapporto alla tensione (V) (filo L56 diametro.052 @ 100ipm WFS). Entrambe le curve, presentano un punto di transizione comune in corrispondenza del quale il filo è riscaldato al punto di fondere senza presenza di archi elettrici. Altre cause possono determinare un sovrariscaldamento del filo aumentando la frequenza degli archi. Riscaldando meno il filo entra nel bagno spingendo senza essere fuso impuntandosi sul fondo (pushback). Questi due effetti estremi definiscono la finestra ottimale di tensione per una data Hot Wire Energy 0 0 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 Preset Voltage velocità di avanzamento, dimensione del filo, del cordone e del tipo di giunto. In pratica c è un campo di funzionamento ottimale, tipicamente l'intervallo è largo circa 0,5 volt e l operatore può facilmente verificare visivamente quando il opera in tale finestra. Con una tensione troppo bassa la torcia viene spinta indietro quando il filo tocca il fondo del bagno, con una tensione troppo alta si possono notare degli archi. Distanza ottimale del filo dal pezzo CTWD (Contact Tip to Work Distance): Nel processo a filo caldo il filo viene immerse in un bagno di metallo fuso, la distanza tra la torcia ed il bagno è evidentemente fondamentale per questo motivo si raccomandano torce da 6-8 mm. Il processo Hot Wire Tandem MIG prevede stick out simili a quelli utilizzati nel procedimento to Tandem MIG Sincronizzato tradizionale 16mm-25 mmin funzione del diametro del filo e del tasso di deposito desiderato. Stabilizzazione dell arco attraverso la sfasatura (Phase Angle): il campo magnetico generato dal filo caldo (forma d onda pulsate) interagisce con quello del filo Lead producendo un trascinamento dell arco nel bagno. In alcuni casi questo effetto è addirittura visibile. Quando le due forme d onda sono impostate in-fase, (0 º phase angle) questa interazione tende a stabilizzare l arco, facilitare il trasferimento di goccioline, riduce gli spruzzi e le interazioni magnetiche. Ottimizzazione della geometria del giunto usando una tecnica con oscillazione: l Hot Wire Tandem MIG è un processo freddo. Per cordoni larghi si raccomanda una tecnica ad oscillare per distribuire il metallo fuso ed appiattire la superficie della saldatura. L oscillazione migliora la penetrazione sui bordi ma diminuisce quella alla radice. Questa tecnica è suggerita anche per la placcatura. Penetrazione alla radice: Come regola empirica la prenetrazione è determinate dal filo Lead, quella laterale ed il profile del giunto sono determinate del filo Trail. On-the-Fly Mode: Il filo Trail può essere convertito in filo caldo semplicemente cambiando le modalità di saldatura in corsa. Possono essere addirittura essere fatti in corsa cambi di direzione grazie a sistemi flip flopping che consentono di convertire il filo Lead in Trail e viceversa (e rispettive modalità sui generatori), preferibilmente convertendo prima il trail in modo da non perdere il segnale di sincronizzazione. NOTA: Generalmente il phase angle per il procedimento tandem tradizionale è 180º mentre per l Hot Wire Tandem MIG è 0º. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Wire Push Back Optimal Operation Excessive Arcing and Lead Arc Instability 14 12 10 8 6 4 2 Arc Frequency
6 6 1. Sensori. Poichè la finestra di saldabilità in termini di tensione è molto ristretta (0,5Volts) sono richiesti speciali sensori per un corretto controllo del processo. 2. Heat Input. Per un accurate calcolo dell apporto termico, dal momento che il procedimento fa uso di onde pulsate, è disponibile lo strumento Lincoln Electric s True Energy calculator. 3. Diametro del filo: dal momento che l Hot Wire Tandem MIG è un procedimento freddo possono essere preferibili diametri di filo maggiori per aumentare l apporto termico. Esempi applicativi: Confronto a parità di tasso di deposito Sono state eseguite 4 cordoni 8x8 a tasso di deposito costante (9,52 kg/h) per confrontare apporto termico, penetrazione e profilo del cordone. FILO SINGOLO Filo diametro 1,3mm GMAW Pulsato WFS=15,24 m/min Trim = 1.00 Travel Speed 0,53 cm/min CTWD = 5/8 380 amps 30.0 volts Heat Input 1,28 kj/mm Il procedimento GMAW a filo singolo produce una penetrazione stretta e profonda ed un profilo convesso. TANDEM ARC Filo Lead diametro 1,3mm GMAW Pulsato WFS 8,13 m/min Trim = 0.90 Filo Trail diametro 1,3mm Pulsato sincronizzato WFS 7,11 m/min Trim = 0.90 180 º phase angle HOT WIRE TANDEM Rapporto WFS (5:1) Filo Lead diametro 1,3mm GMAW pulsato WFS 12,7 m/min Trim = 0.95 Filo Trail diametro 1,3mm Hot Wire WFS 2,54 m/min V = 2.7v 0 º phase angle HOT WIRE TANDEM Rapporto WFS (1:1) Filo Lead diametro 1,3mm GMAW pulsato WFS 7,62 m/min Trim = 0.95 Filo Trail diametro 1,3mm Pulsazione sincronizzata WFS 7,62 m/min V = 4.5v 0 º phase angle Filo Lead 248 amps 23.4 volts Filo Trail 244 amps 22.7 volts Apporto termico totale 1,22 kj/mm Lead Wire 344 amps 28.2 volts Trail Wire 152 amps 3.4 volts Apporto termico totale 1,10 kj/mm Lead Wire 245 amps 24.3 volts Trail Wire 273 amps 4.6 volts Apporto termico totale 0,75 kj/mm Il Tandem MIG sincronizzato standard produce un apporto termico simile alla saldatura con filo singolo ma il profilo del cordone è molto differente. La ridotta WFS del filo Lead influisce sulla penentrazione (ridotta rispetto al filo singolo) per contro il secondo arco allarga il bagno sulle pareti. Questo campione sebbene eseguito a bassi parametri è esemplificativo delle peculiarità del processo. Usando un elevato rapporto (5:1), l apporto termico è molto simile a quello ottenibile con filo singolo. L elevato valore di corrente del filo Lead determina una maggiore penetrazione che con il Tandem standard. Il basso apporto termico del trail aumenta il materiale depositato ma non a sufficienza da avere una bagnabilità adeguata sulle pareti e cordone spianato. Il Sistema Hot Wire Tandem bilanciato determina un apporto termico inferiore del 40% rispetto al filo singolo. La penetrazione di radice è simile al Tandem MIG e la penetrazione sui lati più ampia con cordone convesso. Questi test sono stati condotti per confrontare i processi partendo da una condizione comune, in questo caso il tasso di deposito, i parametri impiegati risultano tuttavia fuori dei normali campi di utilizzo (troppo elevati per un filo singolo, troppo bassi per un Tandem).