Spojovací techniky používané v průmyslu
musí splňovat řadu požadavků.
Zvláštní důležitost mezi nimi zaujímají
hospodárnost, stabilita procesu a reprodukovatelnost.
Za účelem co nejlepšího
využití vlastností jednotlivých materiálů
se stále častěji uplatňují smíšené
konstrukce kombinující různé materiály.
V tomto směru je například velkou
výzvou spojování ocele a hliníku. Dosud
byly spoje těchto materiálů prováděny
téměř výlučně pomocí nýtů, šroubů,
anebo lepením. Průmysl nepochybně
velice zajímala možnost spojování těchto
materiálů termickou cestou.
Kromě smíšených konstrukcí se pozornost
zaměřuje neustále také na optimalizaci
dosavadních technologií. Z důvodů snižování
potřeby následného opracování hotových
spojů se značnému zájmu těší metoda
pájení MIG, jejíž aplikace je doprovázená
minimálním rozstřikem. Zcela nové aplikační
možnosti v oboru spojování lehkých
kovů by otevřela metoda spojování hořčíku
nebo nejtenčích hliníkových plechů
(-0,3 mm) založená na bázi procesu MIG.
Firmě Fronius se po dlouholetých výzkumech
podařilo vyvinout proces, který může
tyto požadavky splnit.
JAK SPOJIT OCEL A HLINÍK
Proces CMT představuje revoluci
v technologii i konstrukci svařovacích
systémů. Tento proces umožňuje realizovat
takové spoje, které dosud platily
za téměř neproveditelné, takže je mimo
jiné možno spojovat reprodukovatelným
způsobem a s vyhovujícími mechanickotechnologickými
vlastnostmi výše zmíněné
materiály, tedy ocel a hliník. Tento
článek popisuje systém CMT (princip
a konstrukční provedení), jeho výhody
a aplikační možnosti v oblasti lehkých
kovů, tj. hliníku a hořčíku a speciálně také
možnosti spojování ocele s hliníkem.
PROCES CMT - HISTORIE A VÝVOJ
Počátky historie procesu CMT sahají
až do roku 1991. Od té doby se firma
Fronius zabývá termickým spojováním
ocele a hliníku. Základním předpokladem
pro splnění tohoto úkolu je proces
pracující s co možno malým tepelným
zatížením. Dalším mezníkem je rok 1997,
kdy bylo vyvinuto bezrozstřikové zapalování
označované zkratkou SFI (Spatter
Free Ignition). Zde bylo poprvé použito
v rámci procesu MIG střídavého dopředného
a zpětného posuvu drátu, i když
zatím pouze ve startovní fázi svařovacího
procesu. Začátek vývojové cesty vedoucí
už přímo k procesu CMT spadá do roku
1999, kdy se objevil požadavek na kontrolované
deponování (odkapávání) pájky na
dotekový terčík žárovky. V roce 2002 pak
již byly známy možnosti i přednosti procesu
CMT a započala poslední fáze jeho
vývoje směrem k sériové využitelnosti.
PRINCIP PROCESU
CMT je zkratka anglického označení
Cold Metal Transfer (přenos studeného
kovu). Jedná se v podstatě o proces
MIG/MAG, který pracuje - na rozdíl od
běžných jiných procesů - s velmi nízkým
přísunem tepla. Tato technika je založená
na využití zcela nové metody uvolňování
kapky využívající střídavého dopředného
a zpětného pohybu drátu.
V případě běžného svařování krátkým
obloukem se drát pohybuje vpřed, až dojde
ke zkratu s obrobkem. V tomto okamžiku
dojde také k vzestupu proudu. Tento zvýšený
proud způsobí přerušení ("rozprsknutí")
zkratu a opětovné zapálení oblouku.
Svařovací proces využívající krátký oblouk
se vyznačuje dvěma podstatnými vlastnostmi:
prvou z nich je vysoké tepelné zatížení,
které je důsledkem vysokého zkratového
proudu. Druhou vlastností je velký rozstřik
krátkého oblouku vznikající při opakovaném
nekontrolovaném přerušování zkratu.
V případě procesu CMT se, na rozdíl od
běžné praxe, nepohybuje drát pouze směrem
k obrobku, ale dochází i k jeho opakovanému
zatahování zpět. Důsledkem je
oscilační pohyb s frekvencí až 70 Hz.
Proces CMT se od běžného krátkého
oblouku odlišuje třemi podstatnými znaky:
jednak zde došlo vůbec poprvé k přímému
zapojení posuvu drátu do řízení
procesu. Dosud byla rychlost posuvu
drátu buď konstantní, nebo byla řízená
předem zadaným časovým programem
(např. synchropulz). V případě procesu
CMT se drát pohybuje směrem k obrobku
až do doby, kdy dojde ke zkratu. Poté se
směr pohybu drátu obrátí a drát se začne
zatahovat zpět. Jakmile dojde k přerušení
zkratu, směr posuvu se opět obrátí a celý
proces začíná znova. Posuv drátu zde však
neprobíhá podle předem daného časového
programu. Rychlost drátu i směr jeho
pohybu jsou zde určovány dobou vzniku
a přerušení zkratu. Pohyb drátu tedy rozhoduje
o tom, co bude probíhat v tavné
lázni a naopak pochody probíhající v lázni
zase zpětně ovlivňují pohyb drátu.
To je také důvodem k tomu, že můžeme
udat pouze průměrnou frekvenci oscilačního
pohybu drátu. V případě, že zkrat
nastane za kratší dobu, dojde i k dřívějšímu
zatažení drátu. Dojde-li ke zkratu za delší
dobu, začne také zatahování drátu později.
Z toho důvodu se frekvence oscilačního
pohybu drátu mění v určitém užším rozmezí,
přičemž průměrná frekvence může
dosahovat až 70 Hz.
Druhým podstatným znakem CMT-procesu
je ta skutečnost, že přechod materiálu
probíhá téměř bez proudu, zatímco v případě
běžného krátkého oblouku se vyskytuje
vysoký zkratový proud. U CMT-procesu
nedochází k přerušení zkratu působením
proudu, ale tím, že se drát začne zatahovat
zpět. Tento pohyb přispívá k uvolnění kapky,
na kterém se podílí i povrchové napětí
tavné lázně. V důsledku toho je možno
udržovat proud ve fázi zkratu na velmi nízké
úrovni, což v dalším důsledku snižuje
tepelné zatížení spoje.
Za třetí je CMT-proces charakterizován
tím, že uvolnění kapky podporuje přechod
materiálu, jak bylo již uvedeno.
PŘEDNOSTI PROCESU CMT
V případě běžně užívaného svařování
krátkým obloukem dochází k přerušení
zkratu působením vysokého zkratového
proudu. Přerušení zkratu zde proto probíhá
nekontrolovaně, což má za následek
zvýšený rozstřik.
U procesu CMT lze naproti tomu udržovat
zkratový proud na velice nízké úrovni.
Kromě toho nedochází k přerušení zkratu
nekontrolovaně, ale zpětným zatažením
drátu, což nám umožňuje mít přerušení
zkratu pod kontrolou. Důsledkem těchto
dvou skutečností jsou prakticky bezrozstřikové
svarové, nebo pájené spoje. Pokud se
pracuje s nastavením hořáku, které je typické
pro CMT-proces, nevyskytuje se rozstřik
téměř vůbec. Objevit se může prakticky jen
v případech extrémního nastavení hořáku.
Tento rozstřik je však podmíněný pohyby
v tavné lázni, nikoliv vlastním svařovacím
procesem. Protože je CMT-proces prakticky
bezrozstřikový, může při jeho použití
odpadnout nákladné a časově náročné
následné opracování spoje.
Další důležitou předností CMT-procesu
je perfektní kontrola délky oblouku: při
běžně praktikovaném svařování krátkým
obloukem se za účelem určování délky
oblouku měří svařovací napětí. Toto napětí
však nezávisí pouze na délce oblouku, ale
také na vlastnostech povrchu základního
materiálu (přítomnost nečistot, oxidů
apod.). Proto mohou změny v kvalitě povrchu
regulaci délky oblouku značně narušit.
V případě procesu CMT se drát přisouvá
k obrobku až do doby, kdy vznikne
zkrat, který odpovídá nulové délce oblouku.
Poté se drát začne zatahovat po určitou
dobu předem zadanou rychlostí zpět.
Délka oblouku je v tomto případě tedy
výsledkem rychlosti a doby, takže u procesu
CMT není délka oblouku řízená svařovacím
napětím, ale je po každém zkratu
nastavena za pomoci mechanických veličin.
Při frekvenci oscilačního pohybu drátu
až 70 Hz je tedy délka oblouku nastavována
70krát za sekundu. Tímto postupem se
jednak udržuje naprosto neproměnná délka
oblouku i při změnách délky volného
konce drátu (Stick-out) a jednak nedochází
ke změnám délky oblouku v souvislosti
s kvalitou povrchu nebo změnou rychlosti
svařování, což se obojí běžně děje v případě
běžného MIG-procesu.
Třetí významnou předností CMT-procesu
je jeho mimořádně velká přemostitelnost
svarové spáry. Při obvyklém MIG/
MAG svařování představuje u tenkých
plechů a velkých spár zvláštní problém
vysoké tepelné zatížení. Tenké plechy se
v tomto případě roztaví dříve, než může
dojít k přemostění spáry.
TEPELNÉ ZATÍŽENÍ PROCESU CMT
A KOMBINACE PROCESŮ
Charakteristickým znakem čistého
CMT-procesu je nízká hodnota zkratového
proudu. Důsledkem je velmi nízké
tepelné zatížení spoje a značně velký
poměr výšky svaru k jeho šířce. Běžně
používané svařování pulzním obloukem
se naproti tomu vyznačuje vysokým tepelným
zatížením a hlubokým závarem.
Digitální systém pro CMT-svařování
také poprvé umožnil kombinovat tento
proces s pulzním obloukem, takže je možno
střídavě kombinovat např. jeden CMT
cyklus a tři pulzy. Touto cestou můžeme
ovlivňovat tepelné zatížení, závar a geometrii
svaru v pásmu mezi "studeným"
čistým CMT-procesem a relativně "horkým"
pulzním obloukem.
Pokud by se svařovalo např. systémem
10 pulzů na jeden CMT-cyklus, bylo by
tepelné zatížení spolu se závarem téměř
identické jako při čistém pulzním svařování.
Získali bychom však tu výhodu, že by
se délka oblouku mechanicky nastavovala
po každých 10 pulzech.
Takové kombinace CMT-procesu
s pulzním obloukem kromě toho zlepšují
také přemostitelnost svarové spáry
a dovolují zvýšit svařovací rychlost.
Jako každý jiný svařovací proces má
svoje hranice také proces CMT.
Horní hranice CMT-procesu se nachází
tam, kde začíná přechodový oblouk. Při
vysokých proudech nedochází ke zkratu,
takže proces CMT nelze provozovat. Dolní
hranice pak leží pod dnešní hranicí krátkého
oblouku. Rozsah pro svařování se
tedy zavedením CMT-procesu rozšiřuje.
SVAŘOVACÍ SYSTÉM PRO PROCES CMT
Celý svařovací systém je digitálně řízený.
V systému je zavedená velmi rychlá
komunikace mezi jeho jednotlivými
komponentami. Ta zde má mimořádný
význam, protože ke svařovacímu zdroji se
musí rychle dostat informace o tom, co se
děje v tavné lázni, aby na to mohl stejně
rychle reagovat.
Celým svařovacím systémem se zde
nebudeme do detailů zabývat. Popíšeme
podrobněji pouze absorbční člen (Drahtpuffer)
a pohonnou jednotku v hořáku,
protože tyto komponenty představují dva
důležité prvky systému.
Drát se při činnosti procesu CMT nepohybuje
pouze jen směrem k obrobku,
ale dochází také k jeho zatažení zpět. To
znamená, že motor v posuvové jednotce
hořáku se musí otáčet střídavě vpřed
i zpět. Naproti tomu motor v podavači
drátu se otáčí stále dopředu, protože
má značnou setrvačnost a nedokázal by
směr otáčení tak rychle měnit. V určitém
časovém úseku tedy dochází k tomu, že
se motor v pohonné jednotce otáčí zpět
a motor v podavači vpřed, takže se oba
motory otáčejí proti sobě. Proto bylo nutné
vložit mezi tyto motory zařízení, které
by krátkodobě vyrovnávalo (absorbovalo,
proto absorbér) rozdíly v délce drátu mezi
oběma posuvy. Kromě toho je zde ještě ta
okolnost, že motor v hořáku může oscilovat
frekvencí 70 Hz pouze v případě, že
pracuje téměř bez zatížení. Absorbér drátu
zde přispívá právě k tomu, že přední motor
může vytahovat drát z bowdenu téměř bez
vynaložení síly.
Absorbér drátu pracuje následovně:
bowden v absorbéru je upevněný pouze
na jedné straně. Jeho konec na druhé straně
se může volně pohybovat. Oblouk tvořený
bowdenem tedy může dosedat buď
až na vnitřní (spodní) konturu absorbéru,
což odpovídá "prázdnému" zásobníku
drátu, anebo až na vnější (horní) konturu,
v případě "plného" zásobníku. Regulace
otáček motoru v podavači pracuje tak, aby
byl tento zásobník drátu zaplněný stále
do poloviny. V tom případě může motor
v pohonné jednotce hořáku drát vytahovat
zcela volně s vynaložením minimální
síly a stejně tak může drát volně zasouvat
zpět, bez ohledu na to, že se motor v podavači
otáčí - a sune drát - dopředu.
Druhou komponentou CMT-systému,
které si zde podrobněji všimneme, je
pohonná jednotka. Tato posuvová jednotka
představuje svojí velikostí, váhou
i funkcí skutečnou revoluci v oboru svařovací
techniky.
Pro pohonnou jednotku byl použit střídavý
servomotor bez převodovky, protože
převodovka by do reverzačního pohonu
pracujícího s frekvencí 70 Hz zavedla
příliš velkou vůli a převody by podléhaly
rychlému opotřebení.
Vzhledem k tomu, že vinutí motoru
bylo vsazeno přímo do krytu hořáku,
bylo možno udržet rozměry jednotky
v malých mezích a rovněž poloha těžiště
byla s ohledem na robot optimalizována.
Pohyb drátu se snímá digitální cestou,
což umožňuje exaktně řídit transport
drátu. Také přítlak kladek na drát je možno
nastavovat reprodukovatelně. To vše
dohromady umožňuje dosahovat shodné
pracovní výsledky i při použití různých
svařovacích systémů.
POUŽITÍ PROCESU CMT
Pro CMT-procesy existují tři hlavní
aplikační oblasti:
• Bezrozstřikové MIG-pájení
• Práce s tenkými plechy (hliník, uhlíková
i ušlechtilá ocel)
• Spojování ocele a hliníku elektrickým
obloukem.
Všechny běžné základní i přídavné
materiály známé ze svařování MIG/MAG
je možno zpracovávat také procesem
CMT. Rovněž svary všech geometrických
tvarů a všechna běžně používaná nastavení
hořáku známá ze svařovacích procesů
MIG/MAG lze uplatnit v procesu CMT
na svařovacích systémech CMT.
Pájení MIG je známé již delší dobu.
Hlavní předností MIG-pájení pozinkovaných
plechů je to, že se taví pouze přídavný
a nikoliv základní materiál. Běžné
MIG-pájení je zatížené pouze slabým rozstřikem,
avšak určité množství rozstřiků
se může občas objevit. V tom případě je
nutné provést následné opracování, které
je časově náročné.
U procesu CMT se zkrat přerušuje definovaným
postupem, protože - jak bylo
již výše uvedeno - zpětné zatažení drátu
napomáhá k oddělení kapky. Použije-li se
typického nastavení hořáku, probíhá proces
CMT absolutně bez rozstřiku.
Protože CMT-proces nevykazuje žádný
rozstřik, odpadá nákladné následné opracování.
Mimoto je tepelné zatížení CMTprocesu
nižší, než při běžném MIG-pájení,
v důsledku čehož může dojít k dalšímu
zlepšení přemostitelnosti svarové spáry.
Kromě běžně známých materiálů je možno téměř
bezrozstřikově svařovat s využitím odpovídající
charakteristiky také hořčík.
V mnoha průmyslových oborech, kde se zpracovávají
tenké plechy, má velký význam hmotnost
svařovaných dílů. Příkladem může být automobilový
průmysl, který se snaží stavět automobily
pokud možno lehké, aby byly rychlejší a spotřebovaly
méně paliva. Tepelné zatížení se musí
udržovat na nízké úrovni speciálně při spojování
plechů natupo proto, aby se plechy spojily a nikoliv
roztavily. Dosud se při svařování tenkých
plechů natupo musela používat na druhé straně
obrobku podložka, která bránila propálení svaru.
V důsledku toho, že se proces CMT vyznačuje
velice nízkým tepelným zatížením, je nyní možné
s jeho využitím například svařovat natupo
hliníkové plechy až do síly pouhých 0,4 mm bez
použití podložky. Tím odpadají načas i náklady na
náročné přípravné i dokončovací práce.
Další aplikací CMT-procesu je spojování ocele
a hliníku s využitím elektrického oblouku. Je to
například automobilový průmysl, který předkládá
požadavek na spojování ocele s hliníkem za
účelem snížení hmotosti a optimalizace těžiště při
dodržení potřebných mechanických parametrů.
Hlavním problémem při spojování ocele a hliníku
pomocí elektrického oblouku je vznik velice
křehké intermetalické fáze mezi těmito dvěma
materiály. Její vznik je způsobený tím, že železo
a hliník jsou za běžné teploty vzájemně rozpustné
jen ve zcela omezené míře. Tyto intermetalické
fáze se za běžné teploty vyznačují mimořádně
vysokou tvrdostí (- 1200 HV) a jen zcela nepatrnou
tvárností.
Čím slabší je tato intermetalická fáze, tím lepší
jsou mechanické vlastnosti příslušného spoje.
Veličina, která určuje tloušťku vrstvy tvořené
intermetalickou fází, je množství tepla vneseného
v průběhu svařovacího procesu. Pro dodržení co
nejmenší tloušťky této fáze je proto nutné udržet
tepelné zatížení spoje na co nejnižší úrovni.
Z toho důvodu představuje CMT-proces perfektní
techniku pro svařování ocele a hliníku, protože
tepelné zatížení je zde - jak bylo již popsáno
- velice nízké.
Je zřejmé, že hliník je natavený, a proto přivařený,
naproti tomu ocel natavená není, a proto byla
pouze pájená. Podmínkou pro spojení ocele s hliníkem
prostřednictvím elektrického oblouku je
pozinkování ocelového plechu. Zinkování by mělo
mít sílu alespoň 10 mikronů, přičemž přednost má
zinkování žárové.
Tyto intermetalické fáze jsou velice citlivé na
kolmá napětí a naproti tomu mohou zcela dobře
snášet napětí v tangenciálním směru. Při případném
použití této technologie je zapotřebí brát tuto
skutečnost v úvahu už při návrhu geometrie spoje.
Další problém představuje poměrně vysoká
náchylnost ke korozi. Pro její snížení byl vyvinutý
modifikovaný přídavný materiál na bázi AlSi.
Snížení korozní náchylnosti umožnily prokázat
dosud provedené korozní zkoušky (120 hodin SST,
ostřik slanou vodou, a střídavé klima podle VDA).
SHRNUTÍ
Proces CMT umožňuje aplikace, které byly až
dosud považovány za neproveditelné. Tato technologie
přináší navíc ještě výhody stabilního oblouku
a dobré přemostitelnosti svarové spáry.
Vezmeme-li v úvahu tyto přednosti a možnost
spojování ocele s hliníkem, otevírá CMT-proces
svařovací technice nové aplikační možnosti.
Nejnovější aplikací tohoto procesu je jeho ruční
varianta, která bude mít premiéru na veletrhu Welding
2006. Byl pro ni vyvinut speciální ruční hořák,
absorbér byl vybaven speciální koženou ochranou
proti mechanickému poškození. Pro komunikaci
s ručním hořákem CMT je připraven také nový
software, který poskytne firma Fronius svým
zákazníkům zdarma.
Z textových podkladů firmy Fronius
