A hegesztőeljárások fejlődése az közelmúltban. Komócsin Mihály* A hegesztésre fordított költségek az utóbbi években is érzékelhetően növekedtek, de ez az anyagköltségek, fejlesztési ráfordítások és beruházások csökkenése mellett a minőség javítására és ennek ellenőrzésére erőteljes növekedése mellet valósult meg. Mindez annak ellenére, hogy a hegesztés területén is érvényesülnek a műszaki fejlesztés alapvető trendjei, mint: • az eljárások termelékenységének növelés, • az automatizálás, robot technológia térhódítása, • a mikroprocesszor vezérlés, számítógépes szabályozás és statisztikai alapú folyamatirányítás, • nagy energiasűrűségű eljárások (lézer-, elektronsugaras hegesztés) ipari technológiává válása. Képtelen vállalkozás áttekintést adni az elmúlt években a hegesztőeljárások körében végzett fejlesztésekről. Ennek kapcsán lehetne hivatkozni idő-, vagy terjedelmi korlátokra, de az igazság az, hogy a szerző nem rendelkezik azokkal az ismeretekkel és áttekintő képességgel amelyekkel a címben ígért feladatot meg tudná oldani. Az előadás a Hegesztéstechnika, a Welding Journal és a Schweissen und Schneiden elmúlt három évben megjelent cikkeire alapul. Ilyen szűkítés mellett is - mint minden válogatás -, szükségszerűen szubjektív. További nehézséget jelent, hogy az egyes hegesztőeljárások területén megvalósított eredményes fejlesztések hatása a hazai iparra igen eltérő lehet, az egyes eljárások eltérő ipari jelentősége miatt. Egy olyan eljárásnál, amelyet ritkán alkalmaznak, még az alapvető jelentőségű eredmény kedvező következménye is csekélyebb lehet az hegesztőipar egészére, mint egy széles körben alkalmazott eljárásnál bevezetett szerény fejlesztés. Önmagában az egyes eljárások részarányát is igen nehéz megbecsülni, mert egy-egy jól mérhető mutató pl. a felhasznált hozaganyag mennyisége, a hegesztő minősítések száma, vagy a hegesztő berendezések darabszáma bizonyos hegesztő eljárás-csoporton - pl. a hozaganyagot alkalmazó ömlesztő hegesztések, vagy a gépesített eljárások csoportján belül megbízható összehasonlítást tesz lehetővé, de más eljáráscsoportokkal való összevetés ezen az alapon lehetetlen. A megjelent statisztikai adatok gyakran pénzügyi adatokra épülnek. Egy 1992-re vonatkozó felmérés szerint a világon eladott hegesztő eszközök, berendezések összértéke 7 000 millió USD volt. Ezen belül az egyes eljáráscsoportok közötti megoszlást szemlélteti az 1. diagram.
*
egyetemi docens, Miskolci Egyetem
79%
nagy energiasűrűségű eljárások gázhegesztés, vágás ellenállás-hegesztés ultrahang hegesztés
3% 5%
11%
ívhegesztés berendezései és hozaganyagai
2%
1. diagram A világon értékesített hegesztő eszközök és berendezések aránya Némileg frissebb és részletesebb, 1994-es adatok állnak rendelkezésre Európára. hozaganyag
24%
ívhegesztő berendezés
29%
ellenállás-hegesztés nagy energiasűrűségű 18% 6%
gázhegesztés, vágás robot
7%
13%
3%
védőeszközök
2. diagram Európában értékesített hegesztő berendezések és hegesztőanyagok aránya Talán érdeklődésre tarthat számot a végfelhasználók szerinti megoszlás is 20%
22% 2% 3%4% 4%
19% 9% 17%
vegyipar heg. szerkezet gyártás gépkocsiipar energetikai ipar repülőgépipar villamosenergia ipar olajipar hajóipar egyéb
3. diagram Európában a hegesztő berendezések és hegesztőanyagok vásárlóinak megoszlása A legrészletesebb adatok a német piacról állnak rendelkezésre. Az 1996 évi adatokat a 4. diagram foglalja össze.
21%
hozaganyag
5%
5%
ívhegesztő berendezés
16%
ellenállás-hegesztés 23%
nagy energiasűrűségű gázhegesztés, vágás forrasztás
30%
4. diagram A Németországban értékesített hegesztő berendezések és hegesztőanyagok aránya 1996-ben. Összevetve a hegesztő eljárások vonatkozásában a bemutatott diagramokat, jól látható az ívhegesztő eljárások dominanciája. A hozaganyagot is alkalmazó ömlesztő hegesztő eljárások közötti arányokra lehet következtetni a hozaganyag forgalmazás adataiból 34%
tömör huzalok, pálcák 8%
bevont elektródák porbeles huzal
13%
45%
fedőpor, folyasztószer
5. diagram A Németországban értékesített hegesztőanyagok aránya 1991-ben. 28%
tömör huzalok, pálcák 12%
bevont elektródák porbeles huzal
43% 17%
fedőpor, folyasztószer
6. diagram A Németországban értékesített hegesztőanyagok aránya 1996-ban.
A 6. diagram alapján látható, hogy a részben- vagy egészen gépesített eljárások a teljes hegesztő hozaganyag felhasználás mintegy 2/3-át adják. Az 5. és 6. diagram összevetéséből látható, hogy a bevont elektródás kézi ívhegesztés részaránya érzékelhetően csökken, a nagyobb termelékenységű eljárások javára, részben a fedett ívű hegesztés, részben a porbeles elektródahuzalos hegesztés növekedése révén. Csak a hegesztő iparban számottevő eljárások fejlesztése terén elért eredményeket mutatja be az előadás. Fogyóelektródás, védőgázos ívhegesztés A fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztés területén az elmúlt években a fejlesztések három, igen lényeges kérdéskör köré csoportosíthatók: • hegesztő tápegységek, különös tekintettel a mikroprocesszor vezérlésre, • hegesztő hozaganyagok fejlesztése, új, fémpor bázisú portöltetű huzalok kidolgozása, • részben a hegesztő berendezések fejlesztéseként elért eredmények teljesebb kiaknázása érdekében új védőgázkeverékek alkalmazása, Alapvető változást jelentett a hegesztő tápegységek fejlesztésében az IGBT tranzisztor, ezáltal a 20 kHz-vagy ezt meghaladó frekvenciájú impulzus és ennek révén az inverter technika alkalmazása. Az inverteres tápegységek előnyei a gyors szabályozás, kis tömeg és kis méret, jó hatásfok és teljesítménytényező, de legfőképp a minőségileg új szabályozhatóság lehetősége. Az inverteres tápegységek nyújtotta előny a telepített berendezésekben a gyakorlatilag fokozatmentesen beállítható frekvenciájú impulzus áram. Az impulzus íves hegesztéssel megoldható az egy impulzus-egy csepp, vagyis a szabályozott cseppátmenet. A cseppátmenet ezáltal a cseppméret szabályozásával a védőgázos fogyóelektródás ívhegesztés alkalmazási köre lényegesen kiszélesedik, leküzdve a vékony falvastagság, a korlátozott hőkapacitás vagy a kényszerhelyzetű hegesztésekkor a hegfürdő kezelhetősége okozta nehézségeket. Az inverteres tápegységek gyors vezérlési lehetősége lehetővé, az impulzus íves technológia öt független beállítási paramétere szemben a hagyományos tápegységek két paraméterével, mintegy kikövetelte a mikroprocesszorok alkalmazását a hegesztő berendezés szabályozásában. A berendezésbe épített EPROM akár több ezer, bevált gyári paraméterkombináció, a RAM ezek korrekcióját illetve saját kombinációk tárolását teszi lehetővé. Ennek számtalan előnyös alkalmazási területe közül csak a vízszintes tengelyű csövek hegesztésénél kívánatos folyamatos áramváltoztatás, a széria gyártás során az egyenletes minőség megkövetelte beállítás azonosság és egyszerű dokumentálhatóság lehetőségét emelve ki. A porbeles elektródahuzalok jelentős arányú felhasználása az Egyesült Államokban és Japánban már több évtizedes múltra tekint vissza. Európában felhasználásuk még a közelmúltban is marginális volt. A német iparban, mint az az 5. és 6. diagramból is látható egyre nagyobb szerepet kap a porbeles elektródahuzal. Magyarországon is megkezdődött néhány jelentősebb hegesztett termékek gyártásánál a porbeles huzalok alkalmazása. Az európai terjedés nem kis mértékben köszönhető az alapvetően vaspor töltetű, ezáltal változatlan hőbevitel mellett is
nagyobb beolvasztási teljesítményű, igen kellemes hegesztési tulajdonságú, növelt folyáshatárú ill. nagyszilárdságú acélok hegesztésére alkalmas porbeles huzalok kifejlesztésének. A hegesztőgáz gyártók - talán egymás konkurenciájuktól is hajtva -, de mindenképpen a hegesztés fejlődését szolgálva, a védőgázkeverékek széles palettáját dolgozták ki. Talán leglátványosabb eredményeket a nagy leolvasztási teljesítményt eredményező, forgóíves anyagátvitelt is lehetővé tevő Ar vagy Ar-He bázisú gázkeverékek kifejlesztésével érték el. De az új gázkeverékek között nemegy a nagy sebességű, (1...1,5 m/s) gépi hegesztés céljait, mások a gyakorlatilag fröcskölés mentes hegesztés elérését szolgálják. Volfrámelektródás, semleges védőgázas ívhegesztés A volfrámelektródás, semleges védőgázas ívhegesztésnél az utóbbi években a fejlesztés fő irányát az eljárás egyik legfőbb hátrányát jelentő kis termelékenység növelésére való törekvés jelentette. Ennek a célnak számos megoldási útját vizsgálták többek között azt a lehetőséget is, hogy AWI ív teljesítményét egy néhányszáz W teljesítményű lézersugárral növelték meg. A lézer mély beolvadást biztosít, ezáltal a kötéskialakításkor kisebb leélezésre, a hegesztéskor kevesebb hozaganyagra van szükség, ezáltal az egységnyi kötéshossz lényegesen rövidebb idő alatt, és kisebb ráfordítással készíthető el. Az előbbiekben említett hibrid eljárás mellett a fejlesztők inkább a teljesítmény növelésének hagyományos útjait járták, vagyis: • a hegesztés részleges gépesítése, a hozaganyag gépi előtolásának megoldásával • új védőgázkeverékek alkalmazása, A gépi huzalelőtolású volfrámelektródás, semleges védőgázas ívhegesztésnél a teljesítmény eredményesen növelhető a huzal előmelegítésével. Az villamos ellenállásfűtéssel végzett előmelegítéssel az ívtől kisebb energia vonódik el a huzal leolvasztására, ami nagyobb hegesztési sebességet és nagyobb teljesítményt tesz lehetővé. A korábban csaknem kizárólagosan alkalmazott argon védőgáz felváltása ArHe gázkeverékekre az argonénál lényegesen nagyobb ionizációs potenciálú hélium miatt az ívoszlop átmérőjének a csökkenéséhez, az energia sűrűség növeléséhez vezet. A ív energiasűrűségének növekedése mélyebb beolvadást, az ív átmérőjének csökkenése kisebb varratszélességet, e kettő együttesen kedvezőbb varratalakot eredményez. A hélium argonénál jobb hővezetőképessége a hegesztési sebesség növelését teszi lehetővé. A felsorolt előnyök a nagy hővezetőképességű réz- és alumínium ötvözeteknél és/vagy nagy hőkapacitású munkadaraboknál aknázhatók ki. Plazma ívhegesztés A plazmaívhegesztés területén számottevő eredménynek lehet tekinteni, hogy nem kis részben a plazma matematikai modelljének fejlesztése eredményeként olyan folyamatszabályozási rendszert sikerült kidolgozni, amely lehetővé teszi plazmaívhegesztést függőleges helyzetű varratok készítésére is, lényegesen kiszélesítve ezzel alkalmazási területét.
Fogyóelektródás ívhegesztés bevontelektródával Ez a hegesztő eljárás több mint száz éves múltra tekint vissza, és sok-sok évtizeden keresztül domináns volt az alkalmazása a hegesztésben. Korábbi dominanciája, széleskörű elterjedtsége miatt a fejlesztés döntően erre az eljárásra koncentrálódott, így az utóbbi években áttörő, alapvető eredmény nem született ezen a területen. Az eljárást érintő fejlesztő munka az elmúlt években, - elsősorban a nagy szilárdságú acélok ipari elterjedésének köszönhetően -, a hegömledék diffúzióképes hidrogéntartalmának csökkentését célozta. Megjelentek a piacon a kettős bevonatú elektródák és az olyan bázikus salakot adó elektródák is, amelyek a felülről lefelé történő hegesztést is lehetővé teszik. Ez utóbbi fejlesztés különösen a csőtávvezetékek növelt folyáshatárú ill. nagyszilárdságú csöveinek hegesztésében hozhat számottevő változást. Számottevő változásnak tekinthető, hogy egyre általánosabbá válik a kisebb teljesítményű tápegységek körében a könnyű, hordozható inverteres áramforrások alkalmazása. Fedett ívű hegesztés Az egyébként is egyik legnagyobb teljesítményű hegesztő eljárás teljesítményének további növelése évtizedek óta érvényesülő fejlesztési cél. Ez vezetett a többhuzalos-, a többhuzalos háromfázisú váltóáramú- és a tandem változatok kidolgozásához. A fejlesztések legújabb eredményeként kidolgoztak olyan fedőport is, amelyek a 3 m/min hegesztési sebességgel is alkalmazhatók. Ezek a fedőporok elsősorban az automatizált spirálvarratos csőgyártásban nyújthatnak számottevő előnyöket. Ellenállás-hegesztés Az ellenállás-hegesztésben amelynek egyik legnagyobb alkalmazója a járműipar, az elmúlt évek fejlesztéseit elsősorban a minőségbiztosítás indukálta. Történtek próbálkozások az inverteres berendezések alkalmazására is, de az elért csekélyke előnyök nem ellensúlyozták a berendezések árának mintegy kétszeres növekedését. A sikeres fejlesztés a folyamat közbeni ellenőrzés és az ehhez kapcsolt szabályozás alkalmazása volt. Az ellenállás-ponthegesztésnél a lencse méretének ultrahangos ellenőrzésére épülő folyamatszabályozással nemcsak egyenletesebb minőség érhető el, de a tapasztalatok szerint az elekród kopás is csökken. Sugár hegesztések Az elektronsugaras hegesztés területén, amelyek az eltérő anyagú kötések hegesztésénél alapvető ipari technológiává vált, a fejlesztések ismét a kis vákuumú illetve atmoszferikus nyomású, hélium védőgázas eljárásváltozat irányában folynak jelentősen csökkentve ezzel a szükséges mellékidőt. Látványosabb fejlődés következett be a lézer hegesztésnél. Franciaországban üzembe helyezték a világ legnagyobb teljesítményű, 45 kW-os CO2 lézerét, amellyel 40 mm vastag acéllemezek is hegeszthetők. Teljesen új irányt jelent a nagyteljesítményű, a hagyományos szilárdtest- vagy gázlézerekkel szemben lényegesen jobb hatásfokú dióda lézerek kutatása.
Robotok és szenzorok a hegesztésben A robotok alkalmazása a hegesztés területén köznapivá, általánossá vált. Ez jó összhangban van azzal a ténnyel, hogy napjainkban a világon üzemelő, közel egy millió ipari robot mintegy harmada hegesztést végez. A robotok fejlesztése két irányban folyik: • a hegesztő robotok árának csökkentését célzó, nagy szérianagyságban előállítható, leegyszerűsített moduláris elven felépülő robotok fejlesztése. • a megoldandó hegesztési feladathoz leginkább illeszkedő, a környezetéből információkat gyűjtő, azt feldolgozó és a szabályozásba beépítő, kvázi intelligens robotok kialakítása a külső szenzorok alkalmazása révén. A moduláris felépítés filozófiája arra épül, hogy a robotizált cella, vagy gyártósori elem egy kis munkatartományú, olcsó szériagyártmányú, hat szabadságfokú hegesztő robotot alkalmaz, amelynek a feladathoz való illesztését a szoftveresen szabályozott perifériákon keresztül valósítják meg. A moduláris szerkezeti elemek, mint alaplapok, vízszintes vezető- és függesztőelemek, munkahelyváltó forgató- vagy billentőelemek, továbbá az egy és két szabadságfokú szabályozott perifériák, mint az utaztató-, forgató-, billentő egységek alkalmazása számos előnyt kínál, nevezetesen: • a feladathoz legjobban illeszkedő, speciális rendszer kialakítása kipróbált sorozatelemekkel, olcsóbban, mint az egyedi fejlesztések esetén, • a feladat változása esetén a rendszer egyszerű, olcsó és gyors átalakítási lehetősége. A hegesztő robotok mind szélesebb körű, gazdaságos alkalmazását teszik lehetővé a külső, opcionális szenzorok területén elért hardver és szoftver fejlesztési eredmények. A környezetéből információkat gyűjtő, azt feldolgozó és ez alapján a programját módosítani tudó robotok ma már általánosan elterjedtek az iparban. A munkadarab-robot alkotta rendszer összehangolását szolgáló Tool Center Point (TCP) kalibráló rendszer, amelynek lényege, hogy valamilyen taktilis szenzor a munkadarab egy kitüntetett pontjának változását érzékeli és ennek megfelelően a munkadarab hegesztési programját egy tengely irányában eltolja. Ezzel a sorozatgyártásban a munkadarab tájolásának a hibáit lehet kompenzálni azáltal, hogy a munkadarab definiált pontjainak a tényleges helyzetéhez illeszti a programot. A hegesztés során a hő hatására a varrat vonala a hőtágulás miatt elmozdulhat a kezdeti helyzetéből. Ez varratgeometriai vagy méret hibához vezethet. A hegesztő fejet lengetve és az ív jellemzőit (feszültségét vagy áramerősségét) a két lengetési végpontban összehasonlítva az esetleges eltolódás érzékelhető, és program eltolással kompenzálható. Új megoldást jelent ezen a területen a dinamikus ívérzékelő rendszer, amely a korábbi statikus karakterisztika helyett az ív dinamikus karakterisztikájára épül. A szenzorok között a legsokoldalúbban használható, de ugyanakkor a legköltségesebb, a robotéval összemérhető árúak az optikai szenzorok. Ezek a szenzorok megoldják a: • a varrat kezdő- és végpont keresését,
• fűzővarratok felismerését, • a részegységek méret ellenőrzését, • varratvonal követést, • a varratvájat kitöltés figyelését és a szükséges hegesztési munkarendi elemek, lengetés, huzalelőtolás, hegesztési sebesség szabályozását.
