Тандемная сварка в защитном газе


В последнее время тандемная сварка в защитном газе продолжает завоевывать все большую популярность. Во многом это обусловлено ее способностью значительно повысить производительность автоматической дуговой сварки. В этом процессе используется старый принцип снижения затрат за счет более производительной сварки двумя дугами. В самых первых системах с несколькими дугами использовался процесс сварки под флюсом. Позднее появление мощных инверторных источников питания и технологии управления формой волны (Waveform Control Technology™) позволило перейти на сварку в защитном газе (MIG/GMAW).


Тандемная сварка в защитном газе


С начала применения тандемной сварки MIG в начале 1990-ых по всему миру было установлено более 1000 систем такого типа. Большинство из них пришло на замену устройствам сварки одной дугой, которые на тот момент уже использовались на пределе своих возможностей из-за необходимости повысить производительность и снизить затраты за счет наплавления максимально возможного объема металла за минимальное время. Потенциальная производительность сварки MIG двумя дугами значительно выше, чем у традиционных процессов сварки с одной дугой. Эту разницу может наглядно продемонстрировать простое сравнение производительности наплавки самых распространенных процессов сварки одной и двумя дугами.


Тандемная сварка в защитном газе


Принципы сварки двумя дугами
В процессе сварки MIG двумя дугами используются две сварочные проволоки с электроизоляцией, расположенные последовательно одна за другой по отношению к направлению сварки. Первый электрод называют ведущим, а второй – замыкающим. Расстояние между этими двумя проволоками обычно не превышает 1,2 см – это нужно для того, чтобы наплавление от обеих проволок поступало в общую сварочную ванну. Ведущая проволока отвечает за основное проплавление металла, в то время как замыкающая выполняет функции контроля формы шва, смачивания кромок и увеличения производительности наплавки.

Наилучшие результаты при этом достигаются с использованием ведущей проволоки большего диаметра и замыкающей проволоки меньшего диаметра. Ведущая проволока большого диаметра отвечает за основное проплавление материала. Она может обеспечивать до 65% от общей производительности наплавки. Замыкающая проволока направлена на заднюю кромку сварочной ванны. Она обычно имеет меньший диаметр и, как следствие, проводит более слабый ток. Этим можно воспользоваться, чтобы лучше контролировать общую сварочную ванну и не допускать ее перегрева.

Часто в качестве компромисса используют ведущую и замыкающую проволоку одинакового диаметра. Это может быть вызвано ограниченными запасами сварочных материалов или необходимостью в какой-то момент изменить направление сварки на обратное. Такой компромисс позволяет по-прежнему получать удовлетворительные результаты, однако при этом падают максимальная скорость сварки и общая надежность процесса.

Сварка MIG двумя дугами зависит от специального программного обеспечения для управления источником питания, которое обеспечивает стабильность двух независимых сварочных дуг, работающих в непосредственной близости друг от друга. Работу источника питания нужно тщательно контролировать, чтобы стабилизировать электромагнитные помехи, возникающие при работе двух сварочных дуг с неконтролируемым постоянным током в непосредственной близости друг от друга.

 

Тандемная сварка в защитном газе



В стандартном режиме работы ведущая дуга программируется на постоянный ток обратной полярности с постоянным напряжением, а замыкающая – на постоянный ток обратной полярности в импульсном режиме. Постоянное напряжение ведущей дуги обеспечивает максимальное проплавление и скорость сварки, а более низкое тепловложение импульсной замыкающей дуги позволяет свести к минимуму электромагнитные помехи между двумя дугами и обеспечить необходимое охлаждение и контроль над общей сварочной ванной.

Сочетание ведущего электрода с постоянным напряжением и импульсной замыкающей дуги позволяет проводить тонкую настройку характеристик сварки. При этом режим работы ведущей и замыкающей дуги можно независимо отрегулировать так, чтобы добиться идеального баланса между глубиной проплавления и заполнением зазоров.


Тандемная сварка в защитном газе



Кроме этого, используется еще один вариант конфигурации с ведущей и замыкающей дугой в импульсном режиме. Такая конфигурация обычно используется в тех случаях, когда нужно точно контролировать общее тепловложение – например, при сварке тонкопрофильного или уязвимого к теплу материала. Эта конфигурация требует точной синхронизации частоты повторения импульсов обоих электродов, чтобы пик импульса одной из дуг приходился на минимум другой дуги.

Синхронизация означает, что ведущая и замыкающая дуги должны работать на одной частоте (или частотах, кратных друг другу). Такое требование налагает на процесс сварки существенные ограничения и поэтому таким методом нужно пользоваться с большой осторожностью.

    Отдельно повторим, что ведущая и замыкающая дуги обязательно должны быть запрограммированы на работу на одной частоте (или частотах, кратных друг другу).
    При этом, чтобы увеличить или уменьшить производительность наплавки, скорость подачи ведущей и замыкающей дуги нужно менять одновременно. В результате глубина проплавления и заполнение зазоров становятся более зависимыми друг от друга.
    При этом напряжение дуги нельзя регулировать посредством динамического изменения частоты.

Конфигурация оборудования
Правильная настройка оборудования для сварки двумя дугами позволяет контролировать все параметры работы обеих независимых дуг. Однако для этого нужно продублировать все оборудование: использовать два специальных высокоскоростных инверторных источника питания, два механизма подачи проволоки, два независимых контейнера для сварочной проволоки и горелку для сварки MIG двумя дугами. Источники питания для такого процесса полагаются на быстродействующее цифровое управление и программное обеспечение, специально разработанное для сварки MIG двумя дугами. Параметры работы источника питания регулируются через цифровое соединение со связанным с соответствующим участком автоматического производства Программируемым логическим контроллером (PLC) или через блок управления роботом.

Горелка для сварки двумя дугами – это критически важный компонент такой системы, так как она должна отвечать четко определенным требованиям относительно расположения и расстояния между контактными наконечниками. Так как горелкам приходится выдерживать высокопроизводительные рабочие циклы и высокую силу тока, их обычно классифицируют по общей силе тока в обеих проволоках. Этот показатель обычно составляет порядка 600-1200 ампер. Кроме этого, также указывают максимальный ток для каждой проволоки, этот показатель обычно составляет 400-800 ампер. Ниже показан типичный пример конфигурации оборудования для автоматической сварки:

   

Тандемная сварка в защитном газе    Тандемная сварка в защитном газе



Достоинства процесса

Повышенная производительность сварки MIG двумя дугами позволяет:

    * упростить обоснование стоимости оборудования автоматизации;
    * повысить рентабельность уже действующего оборудования автоматизации;
    * снизить первоначальные капитальные затраты на новые производственные линии за счет меньшего числа необходимых производственных участков;
    * сократить период окупаемости нового сварочного оборудования.

Процесс сварки двумя дугами может использоваться для выполнения широкого ряда задач, которые можно разделить на две категории высокоскоростной сварки листовой стали и сварки пластин большой толщины. В случае тонкопрофильных (0,1-0,25 см) листовых материалов скорость сварки часто превышает 2,5 метра в минуту. В случае толстопрофильных материалов производительность наплавки может превышать 15,2 кг/час.


Высокоскоростная сварка
Способность распределять общий сварочный ток между двумя проволоками означает уникальные возможности для высокоскоростной сварки. Когда в таких отраслях, как автомобилестроение, танкостроение или производство общестроительной листовой стали, возникает необходимость увеличить скорость сварки по тонкопрофильным материалам, сварщики часто сталкиваются с двумя проблемами: прожогом и недостаточными характеристиками следования наплавления.


Тандемная сварка в защитном газе


Процесс сварки двумя дугами позволяет решить обе эти проблемы. Способность распределять необходимый сварочный ток между двумя проволоками позволяет использовать ведущую проволоку для обеспечения необходимого проплавления, а замыкающую расположить у задней кромки сварочной ванны для обеспечения дополнительного заполнения зазора. Кроме этого, замыкающая дуга служит в качестве дополнительной силы, подгоняющей вперед сварочную ванну и обеспечивающей более высокие характеристики следования и смачивания. Такое поведение замыкающей дуги в общей сварочной ванне обеспечивает отличные характеристики заполнения. Это особенно важно для компаний, которые занимаются массовым производством большого количества штампованных или формованных деталей.

В таких системах для определения положения сварных соединений используются тактильные датчики робота и функция отслеживания положения шва в реальном времени на основе поведения дуги (T.A.S.T.). Сварка двумя дугами, которая имеет среднюю скорость 150 см/мин., пришла на замену старым роботизированным системам сварки одной дугой, которые в среднем обеспечивали скорость 60 см/мин. В целом скорость сварки выросла на 150%.

Сварка с высокой производительностью наплавки
Как было показано на предыдущем графике, процесс сварки двумя дугами может обеспечить 30-80-процентное увеличение максимальной производительности наплавки по сравнению с традиционной сваркой одной дугой.

При сварке MIG двумя дугами обычно используется проволока небольшого диаметра. При подаче сильного тока на электроды небольшого диаметра (0,9-1,5 мм) скорость плавления электрода возрастает по экспоненте. Поэтому в случае сварки MIG двумя дугами скорость плавления электрода при любой данной силе тока выше, чем при сварке с одним электродом большого диаметра. Более высокая скорость плавленая при более низкой силе тока означает уникальные преимущества для производства тяжелых пластин. Во-первых, очевидно, что более высокая скорость наплавления означает более высокую производительность работы. Во-вторых, более низкое тепловложение позволяет свести к минимуму деформации пластин и сократить время между проходами при необходимости контроля температуры металла шва перед наложением следующего слоя. В-третьих, такой процесс позволяет создавать отвечающие всем требованиям рентгеновского контроля сварные швы с высокими механическими характеристиками.


Тандемная сварка в защитном газе

Возможности сварки MIG двумя дугами по заполнению зазоров. Роботизированная сварка двумя дугами материалов толщиной 0,25 мм, например, боковых панелей грузовых автомобилей, может достигать скорости до 250 см/мин.


Окупаемость

Процесс сварки MIG двумя дугами предназначается для автоматизированных сварочных станций или автоматических производственных линий. При этом обычно используется автоматизированная рабочая станция с постоянной структурой и внешними приводами или роботизированный модуль с возможностью гибкого программирования перемещений. Такие высокопроизводительные линии обычно требуют значительных вложений, для которых нужно провести подробный анализ и обоснование затрат. Обоснование затрат того или иного проекта зачастую зависит от продолжительности обработки каждой детали, которая, в свою очередь, в большой мере зависит от скорости сварки. Поэтому более высокая скорость сварки MIG двумя дугами по сравнению со сваркой одной дугой может стать достаточным обоснованием для более высоких капитальных вложений и сокращения периода окупаемости оборудования.

Сварка MIG двумя дугами позволяет снизить затраты на установку новых производственных линий благодаря производству того же объема продукции при меньшем числе сварочных станций. Это особенно верно для высокопроизводительных линий для изготовления автомобильных деталей, для которых большую долю затрат составляют расходы на закупку гидравлических инструментов и оборудования для транспортировки деталей. Такие расходы можно сократить, используя меньшее число сварочных станций за счет более высокой производительности процесса сварки двумя дугами. Также это позволит свести к минимуму расходы на содержание и обслуживание нескольких наборов инструментов для контроля постоянства размера деталей.

Тандемная сварка в защитном газе

Сварка двумя дугами пластин надрессорных брусьев грузовых автомобилей. Такие пластины имеют длину 2,44 м. Для них требуются боковые сварные швы шириной 0,8 см по обеим сторонам вертикальных опор шириной 0,9 см. Сварка двумя дугами позволила увеличить производительность с 5-6 изделий в день до 25. При этом использовалась сварочная проволока диаметром 1 мм со скоростью наплавления 12,7 кг/час. В конечном итоге объем производства увеличился на 300%.


Обоснование затрат для участков сварки крупных конструкций больше зависит от продолжительности сварки, а не числа производимых деталей. В производстве тяжелого оборудования, где впервые стала применяться сварка двумя дугами, обычно используют большие роботизированные станции с дорогостоящими манипуляторами для перемещения больших и тяжелых изделий, на сварку которых может уходить по два часа и больше. Большая часть сварных швов накладывается в нижнем или горизонтальном положении. Это требует применения больших манипуляторов и усложняет использование нескольких роботов на одном производственном участке. Сварка MIG двумя дугами часто используется как замена для систем роботизированной сварки одной проволокой, для которых средняя производительность наплавки составляет 6,8-9 кг/ч.

После перехода производительность обычно увеличивалась до 12,7-15,4 кг/ч.

Настолько большое увеличение было достаточным обоснованием затрат на приобретение новых, более совершенных рабочих станций. Подводя итоги, можно с уверенностью сказать, что сварка двумя дугами и в дальнейшем будет помогать многим предприятиям, имеющим дело со сваркой самых разных типов – от тонколистового металла до многопроходной сварки массивного землеройного оборудования и морских платформ.
  

Тандемная сварка в защитном газе          Тандемная сварка в защитном газе