Impulzný mikroTIG – Progresívna technológia v renováciách

Ing. Miroslav Pavlík, PROFI-WELD s.r.o.

Abstrakt
Impulzný mikroTIG predstavuje veľmi zaujímavú oblasť oblúkových technológii zvárania. Medzi základne parametre zvárania patri veľkosť energie pulzu a čas trvania pulzu. Príspevok opisuje možnosti nastavenia zariadenia Orion i2series.

Aktuálne si prax v dnešnej modernej dobe vyžaduje veľmi rýchle riešenia pri oprave nástrojov, foriem a iných dôležitých strojných súčiastok . Vysoký tlak na produktivitu výroby a stále kratšie výrobne časy si vyžadujú vykonávať opravy súčiastok priamo na dielni. Doteraz používane spôsoby zvárania a navárania štandardnými TIG zváracími zdrojmi resp. zdrojmi s upravenými charakteristikami prinášali mnohé problémy ako sú zápaly v miestach ukončovania zvarov prípadne zmeny štruktúry materiálu v dôsledku vysokého vneseného tepla. Mnoho štandardných výrobcov prišlo na trh so zváracími zdrojmi, ktoré dokázali vytvoriť a udržať stabilný oblúk pri nízkych hodnotách zváracieho prúdu napr. od 3A. Samozrejme aj použitie týchto zdrojov ma svoje limity. Cieľom tohto príspevku je predstaviť nove riešenie tejto problematiky- zváranie pomocou impulzného mikroTIG zdroja.

Zdroj mikroTIG-ového impulzu.

Spoločnosť Sunstone Inc. prišla na trh s patentovanou technológiou mikroTIG zvárania. Vyvinula špeciálny zdroj, ktorý využíva kondenzátorový výboj na impulzne TIG zváranie. Žiadny iný systém založený na oblúkovom zváraní, nedokáže tak presne dávkovať vnesenú energiu do zvaru. Oproti tradičným metódam tavného zvárania (s využitím elektrického oblúka) sa podstatne odlišuje dynamikou, ale hlavne objemom zvarového kúpeľa čo prináša mnohé špecifické odlišnosti. Energia potrebná pre ohrev a roztavenie 1 mm3 bežných kovových materiálov sa pohybuje rádovo v jednotkách Joulov. Na roztavenie rádovo mikroobjemov je potrebné zabezpečiť vysokú lokalizáciu energie súčasne v priestore a čase, aby bol ohrev rýchlejší ako sa vyvinuté teplo odvedie do okolia. Unikátnou vlastnosťou mikroTIG-ového zariadenia je schopnosť koncentrovať energiu na malú plochu a súčasne vyžiariť energetickú dávku vo veľmi krátkom čase. Počas trvania impulzu je do materiálu vnesená dávka energie presne potrebná na pretavenie mikroobjemu a súčasne je na krátky časový interval zabezpečená potrebná úroveň výkonovej intenzity, pričom celkový energetický prínos zostáva na minimálnej úrovni bez nadmerného ohrevu zváranej súčiastky. Zariadenie umožňuje presne nastaviť požadovane množstvo energie. Minimálna nastaviteľná hodnota energie je 0,01 J. Taktiež je možné zvoliť požadovaný kruhový priemer emitovanej stopy (zvarovej šošovky) a hĺbku závaru. Zvárací zdroj inicializuje oblúk s týmito navolenými hodnotami energie, či už vo forme jedného impulzu alebo vopred navolenej sérii impulzov 1-4 za sekundu resp. švového zvaru s možnosťou voľby až 30 impulzov za sekundu. Zariadenie má predvolene zváracie programy na zváranie všetkých bežne používaných konštrukčných materiálov ako uhlíková oceľ, CrNi oceľ, materiály na baze kobaltu a chrómu, hliník, med a jej zliatiny, ale aj materiálov používaných v leteckom a automobilovom priemysle ako napr. Titan, Nikel, Niob a Paládium. Ďalšou skupinou kovov, pre ktorých zváracie parametre nájdeme v predvoľbách sú drahé kovy ako zlato, platina a striebro. Zdroj je vybavený mikroskopom so zatmievaciou clonou alebo zatmievacim štítom pre zváranie väčších zvarkov.

Obr.1. Zariadenie Orion 150s s mikroskopom a Orion 100s so štítom

Na zariadení je možne nastavovať vnesenú energiu v závislosti od typu zdroja od minimálnej hodnoty 0,01 do 200 J, čo spolu s možnosťou nastaviť čas impulzu od 0,1 -100ms umožňuje navoliť veľmi precízne veľkosť zvarovej šošovky od 0,2 do 4,5mm. K precíznemu ovládaniu množstva nataveného kovu prispieva aj možnosť voľby tvaru impulzu. Pri mikrozváraní ide o veľmi krátky tepelný cyklus, pri ktorom sa zvarový kov ohrieva a tuhne za krajne nerovnovážnych podmienok s prudkými tepelnými gradientmi na rozhraní oblastí s fázovými premenami. Výsledkom je prítomnosť nerovnovážnych fázových štruktúr, následkom čoho sú zvarové spoje náchylné na praskavosť. Vhodnou úpravou časového priebehu impulzu je možné dosiahnuť „zmäkčenie“ tepelného cyklu a tým do určitej miery priblížiť ohrev a tuhnutie zvarového kovu k rovnovážnej dynamike. Zariadenie umožňuje navoliť tri druhy tvaru impulzov : klasický, trojuholníkový a štvorcový.

Obr.2 Tvary impulzov nastaviteľných na zariadení Orion i2 series

Klasicky tvar impulzu.

Krivka ma vysoký okamžitý výkon s pozvoľným exponenciálnym klesaním na nulu. To umožňuje veľmi dobru penetráciu a natavenie zvarového kúpeľa a pomalé chladnutie. Tento typ impulzu poskytuje kvalitný vyhladený povrch zvaru.

Trojuholníkový tvar impulzu.

Tento tvar impulzu vychádza s klasického s tým že u tohto tvaru môžeme nezávisle na sebe nastaviť výšku okamžitého výkonu a čas poklesu. Čo znamená, krivka môže mať veľmi vysoký vrchol a veľmi krátku dobu, alebo veľmi nízky vrchol s veľmi dlhú dobu, alebo akúkoľvek inú kombináciu týchto dvoch parametrov. V porovnaní s úpravou zvaru času v klasickej krivke, u trojuholníkovej nemusí energia klesať na nulu, ale môže byt krivka skrátená a skonči bez pozvoľného poklesu na nulu. Režim tak umožňuje nastaviť sklon klesania výkonu. Je možne dosiahnuť dobre výsledky aj pri menšej úrovni vnesenej energie

Štvorcový tvar impulzu.

Podobne ako v trojuholníkovom tvare impulzu, štvorcový tvar umožňuje užívateľovi nastaviť vrchol a dĺžku nezávisle na sebe. Opäť platí, že používateľ si môže zvoliť štvorcovú krivku tak, aby krivka mala veľmi vysoký vrchol a veľmi krátku dobu, alebo veľmi nízky vrchol s veľmi dlhou dobou, alebo akúkoľvek inú kombináciu týchto dvoch parametrov. Rozdiel tejto krivky v porovnaní s klasickou a trojuholníkovou je v prudkom náraste energie na začiatku a poklese na konci každého zvaru. Tento priebeh verne napodobňuje krivku typického laserového zdroja. Krivka je charakteristická dodávaním konštantnej energie za špecifický čas. Zdroj v tomto režime vytvára zvary podobne laserovému spôsobu zvárania. Pre úspešne zvládnutie procesu je potrebné zvoliť vhodný spôsob zapálenia oblúka. Je možne si vybrať z nasledovných možností.

Štandardné zapaľovanie

V režime štandardného zapaľovania sa oblúk iniciuje na povrchu zváraného dielu. Zvar je tak umiestnený presne tam, kde sa elektróda dotýka. Vzhľadom na to, že elektróda sa dotýka povrchu zvaru, keď prebieha hlavný zvárací impulz roztavený materiál môže kontaminovať elektródu. Tato kontaminácia elektródy znižuje jej účinnosť.

Zapaľovanie s pilotným oblúkom

Zapaľovanie je podobné režimu štandardného zapaľovania, s tým že pred hlavný oblúk je pridaný pilotný oblúk, ktorý zaručuje, že oblúk sa zapáli aj keď je horák v miernom pohybe. Výhodou je podstatne menšie znečistenie elektródy.

Obr.3 Priebeh štandardného zapaľovania a zapaľovania s pilotným oblúkom

Okrem uvedených typov ma zariadenie možnosť zapaľovať oblúk v momente oddialenia elektródy od povrchu zvarku. Zvárací zdroj používa interné detekčné obvody, ktoré zisťujú, kedy sa elektróda oddelí od povrchu zvarku. V momente detekcie, zvárací zdroj iniciuje hlavný zvárací impulz. Taktiež je možne pred hlavným impulzom iniciovať pilotný oblúk.

Vysokofrekvenčné kmitanie

Pre zvýšenie penetrácie oblúka do materiálu a k celkovému zvýšeniu sily oblúka je zdroj vybavený funkciou vysokofrekvenčného kmitania. Zdroj zabezpečuje kmitanie zváracieho prúdu 600 kmitov za sekundu. Priebeh je znázornený na obr. č.4.

Obr. 4 Priebeh zváracieho prúdu so znázorneným HF kmitaním

Obr.5 Zvárací zdroj Orion i2series

Impulzný mikroTIG zvárací zdroj má okrem pracovného módu, ktorým je zváranie impulzným TIG oblúkom aj mód zvárania odporom. Tento mód nám napomáha k ustavovaniu malých dielov pred zváraním. Pomocou zvárania odporom môžeme spájať rôzne diely pred zváraním oblúkom. Zariadenia v tomto móde poskytuje max 4000A po dobu 60 ms.

Obr. Dotyková obrazovka zdroja Orion i2series

Príklady použitia zváracieho zdroja Orion i2 series

Zariadenia nachádza uplatnenie všade tam kde pri použití tradičných metód oblúkového zvárania a navárania je vysoké riziko narušenia štruktúry, prípadne tvarov a rozmerov účinkom nadmerne vneseného tepla. Významnú aplikačnú oblasť nachádzame pri výrobe a oprave v jemnej mechanike, elektrotechnike, pri opravách strojných súčiastok, kde je potrebne opraviť veľmi malé poškodenia, pripadne pripojiť veľmi tenké drôtiky a plechy. Ďalšie uplatnenie ma v zlatníctve, výrobe šperkov a samozrejme v stomatológii.

Zaver

Prezentované zariadenie dáva používateľovi k dispozícii nove varianty procesu spájania v oblasti mikrotigového zvárania a navárania a taktiež umožňuje zváranie elektrickým odporom. Tieto nove varianty sa vyznačujú vysokou stabilitou procesu. Presne dávkovanie tepelného príkonu do zvaru zabezpečuje kvalitne spoje na veľmi tenkých materiáloch a taktiež u ťažkozvariteľných materiáloch a to s možnosťou trvalej opakovateľnosti.

Literatúra

[1] Návod na použite zariadenia Orion i2series. Sunstone Engineering R&D Corporation,USA