Transcript 7 ea VFI

Műszaki Alapozó és
Gépgyártástechnológiai Tanszék
Gyártástechnológia I.
7. előadás
Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés (VFI)
előadó: Dr. Szigeti Ferenc
főiskolai tanár
Fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztés (VFI)
 Elsőszámú hegesztési eljárás: jól gépesíthető, nagy
termelékenységű, térbeli hegesztésre is alkalmas. BKI-t több
területen is kiváltotta, az ömlesztő hegesztéseken belüli
részaránya~50%;
 Elnevezések: Gas Metal Arc Welding (GMAW); MIG/MAG;
 MSZ ISO 4063:2002 szerinti kódok:
131: MIG (Metal Inert Gas)
135: MAG (Metal Aktiv Gas)
136: MAG, porbeles huzalelektródával
137: MIG, porbeles huzalelektródával
A VFI jellemzői
 A VFI elve: az ív gázburokban ég, a védőgáz összetétel
megválasztásával
az
ívjellemzők
széles
sávban
befolyásolhatók. A salak elenyésző, kis foltok(MAG).
 DCEP (fordított polaritás): stabilabb ív, jobb anyagátvitel,
kisebb fröcskölés, kedvezőbb varratalak;
 DCEN (egyenes polaritás): a leolvadási teljesítmény nő;
 A tekercselt huzal folyamatos adagolása, az elektródától
elválasztott gázvédelem miatt jól gépesíthető, automatizálható;
 Változatai: kézi, gépi, automatizált;
 A levegő elleni védelem: ívtér+olvadt alapanyag védelme:
-Ar, He a legjobb: huzalösszetétel=alapanyag összetétel,
-CO2 olcsóbb, de ötvözöttebb hozaganyag szükséges.
-
-
A VFI előnyei:
Nagy leolvasztási teljesítmény (rövid áramjárta huzalhossz);
Mélyebb beolvadás, kedvezőbb varratalak;
Kevesebb hozaganyag veszteség (végmaradék, fröcskölés,
salak) BKI-nél: 30-40%, VFI 2-8%;
Salakeltávolítás elmarad!
Kevesebb gőz, füst, kisebb egészségi ártalom, elszívási
kényszer;
Jól gépesíthető, automatizálható;
Könnyebben elsajátítható hegesztési technika (ívgyújtás,
láthatóság, salak kezelés);
Széles védőgáz és hozaganyag választék;
Egyenletes, jó varratminőség, alacsony H2 tartalom;
Minden hegesztési pozícióhoz alkalmazható;
Folyamatos hegesztés (ívidő:60-80%, BKI: 30-50%);
-
-
-
A VFI hátrányai:
Összetettebb és drágább gépi berendezés, hordozhatóság;
Korlátozottabb hozzáférés;
A vékony és lágy huzalok előtolása problémás;
Szél és huzat érzékenység.
A VFI alkalmazási területe:
Az acélok elsőszámú eljárása (BKI-nél termelékenyebb);
A legtöbb acélhoz, nemesfémhez alkalmazható (öntvényekhez is);
Felrakó és javító hegesztésnél is egyre nő az alkalmazása,
portöltetű
huzalelektródával,
nagytömegű,
nagysorozatú
hegesztéseknél;
Csővezetékek helyszíni varratainál (kézi és gépesített változat);
Minden falvastagság és hegesztési helyzetben, de:
leggyakoribb, legfontosabb : s= 3...15 mm.
A VFI technológiai jellegzetességei ( az anyagátvitel módjai)
A VFI univerzalitása (a vékonytól a vastag lemezek hegesztéséig, valamint a
robothegesztésig) a fő technológiai paraméterek széles intervallumát, a
beállítási lehetőségek sokféleségét igényli:
a) Rövidzárlatos (rövid ívű) anyagátmenet:
 Kis I, U esetén: az ív rövid, a folyamatosan előretolt elektróda
beleütközik a hegfürdőbe, rövidzárlat jön létre, az ív kialszik, a
Pinch-erő nő, segíti az anyagleválást (cseppképződés nélkül);
 Az ív újragyullad, az I növekedés szétrobbantja az elektróda
végén képződő cseppet, fokozott fröcskölés;
 Előnytelen anyagátmenet, de ennél legkisebb a hőbevitel:
- vékony lemezek hegesztése (s<3mm),
- középvastag és vastag lemezek gyökhegesztése (cső és lemez),
- térbeli hegesztés.
b) Nagycseppes anyagátmenet (átmeneti ív):
- Közepes I, U vagy nagy U, cseppátmérő nagyobb mint az
elektróda átmérő;
- A cseppek szabálytalanok is lehetnek, fröcskölést okozhatnak;
- A cseppképződést főként a gravitációs erő uralja (fcs=1-10Hz);
- CO2 vagy CO2 bázisú gázkeverékre jellemző;
- Erőteljes fröcskölés, füstképződés jellemzi;
- Alkalmazás: közepes lemezek vízszintes hegesztése;
Kerülendő, inkább impulzusos ív!
c) Finomcseppes anyagátmenet (permetes):
 Jellemzői:
- az anyagátmenet folyamatossága,
- a cseppek tengelyirányú mozgásának megtartása,
- a fröcskölés minimalizálása;
 Apró, vagy igen apró cseppek keletkeznek, tcs:100...1000Hz,
rövidzárlat nem lép fel;
 Semleges védőgázban, vagy nagy Ar tartalmú kevert
védőgázban jön létre, ha I>Ikrit, ill. J>150 A/mm2 (Al
hegesztésénél ~80 A/mm2);
 Ideális anyagátmenet;
 Alkalmazása: vastag lemezek vízszintes hegesztésénél.
d) Forgóíves anyagátmenet:
 Kialakulása: „I” fokozott növelése miatt az elektronok
becsapódása áthelyeződik az elektróda palástjára, az elektróda
vége kihegyeződik, elektróda körüli erős mágneses tér
aszimmetriája a vékony fémszálat forgásba hozza, ezért az ív
saját hossztengelye kötül forgómozgásba kezd;
 Létrehozásának feltételei: I>300 A/mm2, P>20kW(áramforrás),
vhe >20 m/p;
 Alkalmazása: vastag lemezek vízszintes hegesztésénél.
e) Impulzusos ív (áramimpulzussal hegesztünk):
 Az áramimpulzusok periodikusságának beállításával irányított
cseppátmenet jön létre: a cseppátmeneti frekvencia pontosan
tervezhető;
 Az alapáram megakadályozza az ömledék és az elektródavég
dermedését (az ív stabilan fennmarad) , az áramimmpulzusok
hatására egy vagy több cseppben megy át az anyag, ideális:
1csepp/1impulzus;
 Semleges gáz vagy semleges gáz bázisú kevert védőgáz szükséges;
 Az impulzus alakja lehet: téglalap, trapéz, vagy összetett geometriájú, jellemző
paraméterek: Ics,Ia,tcs,ta ;
 Cseppátmeneti frekvencia: fcs=3,3-300Hz ;
 Az impulzushegesztés előnyei:
- kis átlagáramnál (fürdőtérfogatnál) elérhető a finomcseppes anyagátvitel a
nagy impulzus áramokkal (finomcseppes anyagátvitel pl. kényszerhelyzetű
hegesztésnél is létrehozható),
- a hőbevitel kicsi és tetszőlegesen szabályozható (4 par), miközben az
ívstabilitás nem romlik,
- az impulzus frekvenciával szabályozni lehet a csepp méretét (1imulzus/csepp),
- aprócseppes átvitelhez nem kell kis átmérőjű huzal, nem lép fel huzalelőtolási
probléma,
- szép varratfelület;
 Alkalmazása:
- vékony lemezek hegesztése,
- kényszerhelyzetű hegesztés ( pozicióhegesztés),
- gyökvarratok hegesztése.


Védőgázok
Hatással vannak:
az ívstabilitásra, ívhőmérsékletre, a hőmérséklet íven belüli eloszlására,
az anyagátmenetre,
a varrat beolvadási alakjára és méreteire,
a felülettisztítás hatásosságára,
a varratban zajló metallurgiai folyamatokra,
a varrathibákra,
a varrat mechanikai jellemzőire,
a hegesztési paraméterekre, hegesztési teljesítményre, a varrat fajlagos költségére;
Védőgázok sűrűsége:
- vályú helyzetű hegesztésnél előnyös Ar használata: ρAr> ρlev Ar: 10..15 l/p;
- fej feletti hegesztésnél előnyös: He használata: ρHe=1/7 ρlev He: 20...25 l/p
(azonos védőhatáshoz nagyobb térfogatáram szükséges);
 Aktív gáz, gázkeverék: CO2, (Ar, He+CO2, O2), esetén megelőzésről,
kompenzálásról gondoskodni kell:
- a hegfürdőben oldódó vasoxidok (FeO) dezoxidálása,
- a kiégő ötvözők pótlása.
A védőgázok metallurgiai hatása:
 Semleges: nem oldódik, nem vegyül: Ar, (He-ot ritkán
alkalmazzák);
 Aktív: oxidáló (O2, CO2) vagy redukáló hatásúak
(H2: gyökvédelemhez alkalmazzák, gázkeverékben használják);
 CO2 disszociál a hegesztés hőmérsékletén: 2CO2=2CO+O2
-Acélok hegesztésekor a gázközeg reakcióba lép a felhevült
vassal:
2[Fe]+O2
2(FeO)
- FeO oldódik a fémfázisban, a varrat salakosságát fokozza:
(FeO) [FeO], ahol [oldott fázis], (szilárd fázis);
- Elhárítható: dezoxidálással:
2[FeO]+[Si]=2[Fe]+(SiO2)
[FeO]+[Mn]=(MnO)+[Fe]
A védőgázok metallurgiai hatása:
 A vas és a dezoxidáló elemek O2 iránti affinitása (a C kivételével) a
hőmérséklet növelésével rohamosan csökken: T>1500°C-on a C oxidációja a
meghatározó (fröcskölést okoz):
[FeO]+[C]=[FeO]+CO
 A hegfürdőbe jutó O2 kedvező metallurgiai hatása: csökkenti a fémben
oldott H2 mennyiségét:
2[H]+[FeO]=[Fe]+H2O
 A keletkező vízgőz+szénmonoxid döntő részben még a kristályosodás
befejezése előtt képes eltávozni (buborék képződés, „fürdő fővés”);
 A szabad H2 a hegesztési hely környezetében hatásos védekezés az
oxidációval szemben:
2H2+O2=2H2O,
de: az ívoszlopban (T>3000°C) a H2 disszociál: H2=2[H]
(atomos, jól oldódik fémfázisban), porozitás, repedésképződés veszélye nő;
 A H2 védőgázként csak ott alkalmazható, ahol Tív<3000°C
(Ar-hoz keverve, gyökvédelemre, korrózió és hőálló acélnál).
A védőgázok rendszerezése:
a) Komponensek száma szerint:
- Mono gázok: Ar, He, CO2, H2, N2 (rézötvözeteknél);
- 2,3,4 komponensű gázkeverékek: alkalmazásuk célja: az előnyös
tulajdonságok összegzése, negatív hatások nélkül;
b) Gázok (keverékek) kémiai jellegük szerint lehetnek:
1, semleges: Ar, He: Al, Mg, Ti, Cu, Ni és ötvözetei hegesztésére pl.
Ar+50...75%He: He: gáz hőtartalmát és hővezető képességét növeli
(Al és Cu ötvözetek hegesztése);
( fejfeletti hegesztéshez He, mert: ρHe=1/7 ρlev )
2, redukáló: Ar+5-25%H2: a gáz fajhője nő, a hegesztési teljesítmény
nő, nagyobb hővezető képességű anyagok hegesztésére
(pl. Cu ötvözetek, ausztenites acél, Ni ötvözetek hegesztése).
3, Oxidáló gázkeverékek (elsősorban acélokhoz):
- Ar+1..2%O2: a varrat H2 tartalma csökken, a porozitás, repedésveszély is csökken (ötvözött acélok, ferrites Cr- acélokhoz);
- Ar+2..5%O2: a felületi feszültség csökken, emiatt a cseppátmérő is
csökken, szegélykiégés csökken, elterülő varrat (növelt folyáshatárú
acéloknál, ausztenites acéloknál, alacsony hőmérsékleten);
- Ar+15..25%CO2: (=3..5%O2) a gázkeverék hővezető képessége nő
(vékony szelvények hegesztése; vastag szelvények hegesztésénél a
hegesztési sebesség növelése; ötvözetlen és gyengén ötvözött acélok
hegesztésénél sima varratfelület, fröcskölés-mentesség);
- Ar+CO2+O2 gázkeverékek: (80,15,5 arányban): a fentiekhez hasonló
tulajdonságok elérésére;
 Különleges keverékek:
-T.I.M.E:65%Ar+26,5He+8CO2+0,5C:hőkapacitás nő, Uh és Ple is nő,
- (60%Ar+30%He+10%CO2) : forgóíves hegesztésnél.
Védőgáztípusok jelölési rendszere: MSZ EN 439
Védőgázok hatása a hegesztési folyamatra:
 Anyagátvitel: permetes: Ar, vagy He-ban, Ar+CO2 gázkeverékben
18%CO2-ig (növelt áramerősségnél 25%CO2-ig);
- Tiszta CO2-ben és (60%CO2+40%Ar): nincs I=500A alatt
rövidzárlat nélküli anyagátmenet, ezért erőteljes fröcskölés jellemző;
 A védőgáz összetétel hatása a varrat alakra és a beolvadási mélységre:
CO2: h1 nő, He:Av nő, célszerű keveréssel a kívánt varratalak elérhető.
A VFI berendezése:
1, Áramforrás: (tirisztoros) egyenirányítók és inverterek ( impulzus
ívű hegesztésre is alkalmasak (vékony lemezek, pozíció hegesztés)
A VFI áramforrások csoportosítása:
-Kisgépek:
50...150A, huzal Ø =0,8
BI=60% kézi
-Középgépek:
150...500A, huzal Ø :0,8; 1; 1,2
hegesztés
-Nagyteljesítményű: 500...750A, Ø=1,6, porbeles huzal
Bi=100% gépi
Gépkarakterisztika: közel vízszintes, feszültségtartó, belső szabályozásra alkalmas
feltételeket biztosít (a szabályozás az áramkörben automatikusan zajlik);
A stabil munkapont feltétele:
Ívkarakterisztika meredekség > áramforrás meredeksége
2, Huzalelőtoló:
 feladata: a huzal egyenletes, megtörés nélküli előtolása a beállított
sebességgel, vhe:2...20 m/p;
 a huzal előtolása jelentős gépészeti probléma: a kábel 2,5...3m hosszú,
karcsú, lágy huzalok;
 Megoldások:
 a hajtott görgőpárok számának növelése:
- 1db (vhe=10 m/p),
- 2 db (vhe=10-25 m/p),
- 3 db (vhe>25 m/p), (porbeles),
 flexibilis (műanyag) vezetőcső a kihajlás megakadályozására,
 nyomó, húzó(pisztolyra szerelt), vagy húzó-nyomó mechanizmus,
 a görgő recézése: Al huzalnál deformációt okoz, acél huzalnál: a huzal
sérül, a görgő bevagdalja, a huzal nehezen csúszik a huzalvezetőn és az
áramátadón;
Fs=n*µ*Fn, ahol
n: a hajtott görgőpárok száma,
µ: súrlódási tényező (recézés),
Fn: rugóerő.
3. Hegesztőpisztoly (kábel és tömlőköteggel):
 Biztosítania kell: a könnyű kezelhetőséget, a varrathoz való jó hozzáférést,
lehetőleg könnyű legyen;
 Fajtái: kézi(görbenyakú), gépi: egyenes törzsű;
 Csoportosításuk:
1.gázhűtéses: I=200...250A, hűtés: Ar-árammal (levegő hűtésű: komprimált
levegővel),
2.vízhűtéses, kézi pisztoly: I=500 A-ig,
3.vízhűtéses, gépi pisztoly: I=800 A-ig.
 A kiválasztás szempontjai:
-Iheg.max-nak feleljen meg,
-gázvédelem és vízhűtés megfelelő, a szigetelés kifogástalan legyen,
-a sűrűn kopó alkatrészek (pl. áramátadó hüvely) olcsó, könnyen cserélhető,
-a hegesztő tömlő hajlékony, könnyen cserélhető legyen;
 Az áramátadó átmérője: dá=de+0,2+0,05mm, a hüvely kopása következtében
az átmeneti ellenálláson fejlődő hő veszi igénybe, ha dá nagy, akkor könnyebb
az előtolás, de gyorsabb a hüvelykopás;
Tolt huzalok: a kábelköteg hossza limitált (3-5m), ezért hordozható előtoló szükséges;
Húzó vagy toló-húzó mechanizmus: a kábelköteg hossza 5...10 m is lehet;
A tömlőköteg tartalmazza: az áramvezető rézkábelt, hűtővíz+védőgáz tömlőt, vezérlő
kábelt, huzalvezető tömlő
4. Gázellátó egység:
- Részei: gáztároló edény (palack vagy tartály), nyomáscsökkentő, átfolyásmérő, gáztömlő;
- A hegesztő munkahely gázellátása történhet: egyedi
gázpalackról, tartályról vagy palackkötegről táplált
körvezetékről;
- Gázpalack: 40...50 l-es, töltőnyomás: 150...200 bar;
- Minden gáztípushoz saját nyomáscsökkentő és átfolyásmérő
szükséges;
- A gázok ki-be kapcsolását mágnesszelepek biztosítják;
- A védőgáz mennyisége függ: a gáz fajtájától (sűrűségétől), a
varrat alakjától, méretétől és a pisztoly nagyságától:
Ar:10...20 l/p, He:2-3x ;
- Tölcséres rotaméter: gázfúvókára szerelve: a tényleges gázmennyiséget mutatja l/p-ben (ellenőrzés).
5. Hűtőrendszer:
- A nagy árammal működő hegesztő pisztoly túlmelegedését
akadályozza: 1-2 l/p hűtővíz mennyiség szükséges;
- Zártrendszerű víz-hűtőkör: lágyított vízzel,
- Átfolyó: csapvízzel (nem célszerű, vízkőlerakódás veszélye).
6. Vezérlő, szabályzó, programozó és kijelző rendszer
- Összetett elektronikus rendszer: kapcsolók, távszabályzók,
választókapcsolók, beállító gombok, kijelzők, gáz – és
vízfelügyelet;
- Kétütemű kapcsolási rendszer: védőgáz, vhe, Iheg (hűtővíz)
kapcsolása (rövid varratok);
- Négyütemű: 1. védőgáz bekapcs. 2.elengedés:Iheg,vhebekapcs.
(ívgyújt: vhe csökkentésével) 3.:vhe, Iheg kikapcs, (hegesztés
megszakításakor Iheg késleltetve szűnik meg) 4.elengedés: a
gomb lenyomva tartásáig áramlik a védőgáz;
- Programozó és programtároló egység;
A VFI huzalelektródái:
 Kritériumok: -hegeszthetőség
-tömör
-mechanikai jellemzők
-porbeles
-kívánt hegesztési tulajdonságok
 Elektrolitikusan felvitt Cu bevonat: javítja az áramátadási viszonyokat,
súrlódási ellenállást csökkenti, korrózió állóvá teszi a huzalt;
 Semleges gázvédelmű huzalok: alapanyaghoz hasonló összetételben;
 Aktív védőgázas huzalok dezoxidáló komponensei:
-normál:
Mn:1...1,1% Si: 0,5..0,55%,
-enyhén oxidos felület, oxidációs potenciál nő:
Mn:1,5...1,7% Si: 0,7...0,9%
-CO2 vagy CO2-O2, nagy áramerősségű eljárás:
Mn:1,8...2% Si0,8...1 max
 Mikroötvözők: Al, Ti, Zr, dezoxidálók (további Mn, Si tartalom növelés nem
lehetséges, hegeszthetőség, szívósság romlás miatt);
 Mechanikai tulajdonságok javítására: Ni és Mo ötvözés;
 Korrózió állóság növelése: Cr, Ni, Cu- ötvözés
VFI hozaganyag csoportok, acélok hegesztésére:
1. Ötvözetlen és finomszemcsés acélok: MSZ EN 440 (Reh 350...500
N/mm2);
2. Nagyszilárdságú acélok: MSZ EN 12534 (Reh>500 N/mm2...900ig);
3. Melegszilárd acélok: MSZ EN 12070;
4. Korrózió és hőálló acél: MSZ EN 12072;
Nemvasfémek huzalelektródái:
- Ni és ötvözetei: tiszta Ni, Ni-Mo, Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-Mo;
- Cu és ötvözetei: sárgaréz (5...40Zn), ón-, Al-, Ni-, Si-bronzok;
- Al, Al-Mg, Al-Mn, Al-Si, Al-Si-Mg, Al-Si-Cu, Al-Mg-Zn
(félkemény, kemény).
VFI porbeles huzalok:
- Lehet: nyitott és zárt szelvényű, egyszerű, bonyolult, összetett
geometriájú;
- A portöltet lehet: R, B, C;
1. Ötvözetlen acél: MSZ EN 758;
2. Nagyszilárdságú acél: MSZ EN 12535;
3. Melegszilárd acél: MSZ EN 12071;
4. Korrózió és hőálló. MSZ EN 12073;
- Huzalok: huzaldob, orsók, tekercsek: MSZ EN 759,
acéltekercs: 5,10, 12 kg
A VFI technológiája:


Az anyagátvitel megválasztása függ:
a hegesztési feladattól,
- a hegesztési jellemzők célszerű megváaz anyagvastagságtól,
lasztásával,
a hegesztési pozíciótól
- a védőgáz összetétel megválasztásával.
A védőgázösszetétel hatása: befolyásolja az anyagátvitelt, a
rövidzárlatot, a beolvadási mélységet, az oxidációs folyamatot, stb.
 A technikai adatok beállítása:
 Az áramerősség meghatározza:
- az ív hőteljesítményét,
-Ple, leolvadási teljesítményt,
- az anyagátvitel típusát,
- az ívnyomást, ezzel a beolvadási mélységet(h1).
(„I” növelésével h1 nő)
Az ívfeszültség hatása:
- Uív növelésével lív nő, az ív talpkör Ø nő, ennek hatására az ívnyomás és h1
(varratmélység) csökken, b (varratszélesség) nő;
A hegesztési sebesség hatása:
-vheg növelésével az ív energiája nagyobb felületen oszlik meg, a fajlagos
hőbevitel és Av (varratkeresztmetszet) csökken.
A hegesztési paraméterek beállítása:
 A hegesztőáram beállítása: vhe meghatározza Iheg-t;
 A gépfeszültség beállítása: az áramforrás jelleggörbéjével (Ug);
 vhe növelésével lív csökken,
rövidzárlatos anyagátvitel jön létre, fröcskölés
lép fel, ezért:
- Iheg növelésével Ugép növelése
szükséges a gépkarakterisztika állításával
- Iheg csökkentésével Ugép csökkentése
A hegesztő pisztoly helyzete VFI hegesztésnél:
- Előre tartva, tolva kell vezetni; ideális lenne 90°-ban tartani, ekkor azonban a
fúvóka takarja a hegfürdőt a hegesztő elől
- α=10...20°-os (max 30°) döntés, α>30° akkor gázosodás lép fel, a varrat N, O, H-t
vesz fel.
Védőgáz mennyiség: huzal átmérő 10..12x
 Az áramerőség változtatásának hatása VFI-nél:
- befolyásolja a beolvadási mélységet,
- a leolvadási teljesítményt(Ple):
Ple függ Ødhe-től (kisebb Ødhe,-nél nagyobb leolvasztási
teljesítmény azonos I mellett, mert a vékonyabb huzal „R”-a
nagyobb, felmelegedése nő);
 U- változtatása: U növelésével b nő.
A VFI eljárásváltozatai:
- Impulzus ívű hegesztés,
- Porbeles huzalelektródás hegesztés,
- Keskenyrés hegesztés,
- Ívpont hegesztés.
VFI összefoglalása:
- Jól gépesíthető, 2-3x termelékenyebb a BKI-hez képest, az
eljárás paraméterei mérhetők és jól szabályozhatók.
- Hegesztő robotok működtetése, ívhegesztés automatizálása
szinte kizárólag VFI-vel,
vezető eljárás, további részarány
növekedés várható!