(Artikkeli on julkaistu Hitsaustekniikka-lehdessä 2/2010) Levyrakenteiden hitsauksessa törmätään useasti liitoksiin, joiden sisältämä suuri ilmarako tulee täyttää hitsiaineella. Suuri rako tekee tällaisten liitosten hitsaamista hankalaa, koska perusaineen lämmönvaraamiskyky on huono. Lopputuloksena on useasti hitsin läpisulaminen, joka johtuu kohtuuttoman suuresta lämmöntuonnista. Hitsin sulaminen lävitse on estettävissä hitsausvirtaa pienentämällä, mutta tämä taas vaikeuttaa raon hitsaamista umpeen. Käänteisesti ajatellen voidaan todeta, että liitosten välisen suuren raon täyttäminen hitsiaineella vaatii hitsausvirran kasvattamista, mutta samalla lisääntyy lämmöntuonti ja sen johdosta kasvaa myös riski hitsin läpipalamiselle. Tämä johtuu siitä, että hitsausvirta liittyy suoraan lisäaineentuottoon tavallisessa tasavirtaisessa (DC) MIG/MAG-hitsauksessa. Näin ollen on äärimmäisen vaikea määrittää sopivat hitsausolosuhteet automatisoidussa ja robotisoidussa hitsauksessa, ja vaikka ne onnistuttaisiinkin määrittämään, niin lopulta epästabiili valokaari vaikeuttaa hitsin laadun säilyttämistä ja hallintaa.

Kuva 1. EN-suhteen muutoksen vaikutus lisäaineentuottoon ja hitsausvirtaan.

Vaihtovirtainen (AC) pulssi MIG/MAG-hitsausprosessi on yksi niistä vaihtoehdoista, jolla edellä kuvatut vaikeudet ja ongelmat voidaan ratkaista. AC pulssitetussa MIG/MIG-hitsauksessa lisäaineentuoton ominaiskäyrää hitsausvirran funktiona voidaan muuttaa säätämällä EN-suhdetta, joka on negatiivisen jakson suhde hitsausvirran napaisuuteen yhdessä AC-pulssijaksossa. Vertailtaessa eri EN-suhteita samalla hitsausvirralla, voidaan todeta, että suurempi EN-suhde johtaa korkeampaan lisäaineentuottoon ja pienempi EN-suhde vastaavasti alhaisempaan lisäaineentuottoon (kuva 1). Kun lisäaineentuonti pidetään vakiona ja vain EN-suhde muuttuu, voidaan todeta, että hitsausvirtaa voidaan vähentää suuremmalla ja kasvattaa pienemmällä EN-suhteella (kuva 1). Kun hitsauskoneessa on tämän kaltainen ominaisuus, voidaan lämmöntuontia perusaineeseen ja hitsiaineentuottoa säätää erikseen ja ratkaista näin edellä kuvattu ongelma.

OTC:n uusi AC MIG pulssihitsauskone DW-300+

Japanilainen hitsausteknologiaa valmistava OTC Daihen, joka on maailman suurin pulssihitsauskoneiden valmistaja, on kehittänyt uuden version AC MIG pulssihitsauskoneesta. Kyseessä on alun perin vuonna 1999 Toyotan autotehtaiden alumiininhitsaustarpeisiin kehitetyn AC MIG hitsauskoneen kolmas versio, joka sisältää alan viimeisintä teknologiaa, sisältäen kaikkiaan 5 eri patenttia.

Kuva 2. OTC Daihenin kehittämä DC/AC-pulssihitsauskone mallia DW300 plus.

Kuvan 2 mukainen OTC Daihenin täysin digitaalisesti ohjattu kaksoisinvertteri AC MIG pulssihitsauskone on tyypiltään DW300 plus, omaa 300 A tehon 80 % paloaikasuhteella. Se soveltuu 0.8-1.2 mm langoille ja mahdollistaa hitsata mm. seuraavat materiaalit: teräs, pehmeä ja kova alumiini, ruostumaton teräs, kaarijuotospronssi, titaani ja magnesium. Hitsausprosesseja on valittavissa vakiona AC/DC aaltopulssi MIG, AC/DC pulssi MIG ja DC pulssi MAG.

Uudessa mallissa EN-suhdetta voidaan säätää entistä laajemmin, alumiinille välillä 0-40 % ja teräkselle välillä 0-80 %. EN-suhteella 0 % hitsausprosessi vastaa täysin perinteistä DC-pulssihitsausta. Kuvassa 3 on esitetty hitsiaineentuottoa pehmeän teräksen ja alumiinin hitsauksessa 1.2 mm langalla AC MIG pulssihitsauksella. Kuvasta voidaan nähdä, että toisin kuin alumiinilla, terästä hitsatessa EN-suhteen muutoksella ei ole merkittävää muutosta hitsiaineentuottoon, kun hitsausvirta on alle 150 A. Vasta kun hitsausvirta ylittää 200 A, voidaan terästä hitsatessa EN-suhteen muutoksella (0-80 %) hallita lisäaineentuottoa. Jotta teräksen hitsauksessa saavutetaan yhtä hyvä suorituskyky kuin alumiinilla, tulee ottaa käyttöön erityinen hitsausvirran aaltomuodonhallinta, kun EN-suhde on yli 50 %. Tämä on yksi merkittävistä tekijöistä AC MIG pulssihitsausprosessissa, jotta kyetään ylläpitämään stabiili valokaari ja lisäaineen siirtyminen. Valokaaren stabilointi tapahtuu hitsauskoneen sisältämän älykkään suodattimen avulla, joka tarkkailee ja analysoi valokaaren pituudesta seuraavaa jännitettä.

Kuva 3. EN-suhteen vaikutus lisäaineentuottoon. Kuvassa vasemmalla teräs ja oikealla alumiini.

Tämä uusi hitsauskone sisältää kaksi eri hitsausvirran aaltomuodonhallintatoimintoa. Ensimmäistä tapaa käytetään alle 30 % EN-suhteille ja toista sen yli oleville aina 80 % EN-suhteeseen asti (kuva 4). Kun EN-suhdetta muutetaan, synerginen AC-pulssiohjaus säätää automaattisesti langansyöttönopeutta pitääkseen asetetun hitsausvirran.

Kuva 4. AC-aaltopulssimuodot (EP=positiivinen elektrodi, EN=negatiivinen elektrodi). Kuvassa vasemmalla EN-suhde 30% asti ja oikealla yli 30%.

AC-pulssihitsauksen tuomia etuja

Seuraavassa on lueteltu muutamia AC MIG pulssihitsauksen tuomia etuja perinteiseen DC pulssihitsaukseen nähden.

Tunkeuman syvyys hallittua
Hitsin tunkeumaa perusaineeseen ja sitä kautta hitsin poikkileikkauksen muotoa voidaan hallita EN-suhteen määrityksen avulla. On havaittu, että alle 30 % EN-suhteen muutoksilla ei ole vaikutusta hitsin poikkileikkauksen muotoon. Lisäksi on todettu, että teräksen hitsauksessa vaaditaan noin kaksi kertaa suurempi EN-suhde alumiinin hitsaukseen verrattuna, jotta saavutetaan vastaavanlainen tunkeuman muoto.

Parempi ilmarakojen täyttö
AC MIG/MAG pulssihitsaus soveltuu perinteistä pulssihitsausta paremmin ilmaraollisten liitosten hitsaukseen, koska lisäaineentuottoa voidaan kasvattaa EN-suhdetta muuttamalla ilman, että hitsausvirtaa kasvatetaan (kuvat 5 ja 6).

Kuva 5. Ilmaraon vaikutuksen vertailua alumiinin DC/AC-pulssihitsauksessa. Perusaine 1.0 mm AlMg3 ja lanka 1.2 mm AlMg5.

Kuva 6. Ilmaraon vaikutuksen vertailua teräksen DC/AC-pulssihitsauksessa. Hitsausvirta 180 A ja nopeus 80 cm/min.

Suurempi hitsausnopeus, parempi laatu
AC MIG/MAG pulssihitsaus mahdollistaa perinteistä DC pulssihitsausprosessia suurempien hitsausnopeuksien käytön (kuva 7). Se poistaa tarpeen lyhentää valokaaren pituutta ja vähentää hitsausvirheiden, kuten reunahaavan, kupumaisen hitsin ja roiskeiden syntymistä. Hyvänä esimerkkisovelluskohteena on autoteollisuus.

Kuva 7. Esimerkki: Saavutetun maksimihitsausnopeuden vertailua AC/DC pulssihitsauksessa.

Servo-ohjattu langansyöttöjärjestelmä

AC MIG hitsauskoneen kanssa robottijärjestelmissä käytettäväksi soveltuu AC-servo-ohjattu langansyöttöjärjestelmä. Kahdesta eri langansyötöstä koostuva järjestelmä on täysin robotin ohjaama, jolloin langansyötön tasaisuus ei ole lainkaan riippuvainen robotin liikkeistä. Kuvan 8 mukaisessa hitsauspolttimessa on kaksi vetävää servo-ohjattua rullapyörää, jotka tuottavat tasaisen ja tarkan langansyötön. Langan paikoitus on parantunut vähintään kolmasosaan tavallisesta ja on luokkaa 0,2 mm.

Kuva 8. OTC:n hitsauspoltin AC servo-ohjatulla langansyötöllä mahdollistaa tarkan ja tasaisen langansyötön.

Lisäksi langansyöttöön kuuluu lankakelan tai -tynnyrin päähän sijoittuva apulangansyöttölaite (kuva 9), jossa on AC-moottorilla ohjatut työntöpyörät. Apulangansyöttölaitteen tehtävänä on pienentää langansyötön kuormaa ja helpottaa langan tasaista kulkua.

Kuva 9. OTC:n apulangansyöttölaite pienentää langansyötön kuormaa.

Servopolttimeen liittyy myös ohjelmallisia lisätoimintoja. RS-aloitus (Retract Start) on valokaaren sytyttämisessä käytetty langansyöttömenetelmä, joka parantaa hitsauksen aloituksia. Hitsauksen aloitusvaiheessa langan pään koskettaessa kappaletta, robotti vetää langan poispäin kappaleesta, jonka jälkeen valokaari syttyy. Menetelmä nopeuttaa sytytysvaiheen keston kolmasosaan ja tuottaa merkittävästi vähemmän roiskeita. Lisäksi valokaaren sytytyksessä syntyvien häiriöiden määrä vähenee merkittävästi, taaten 100% hitsauksen aloitusvarmuuden.

Synkro-MIG on toiminto, joka hitsauspolttimen levittävää liikettä käytettäessä synkronoi hitsausvirran ja robotin paikan. Tällöin esimerkiksi paksun ja ohuen levyn liitoksen hitsaaminen on mahdollista levittävällä liikkeellä siten, että hitsausparametreja muutetaan lennosta paksun ja ohuen levyn välillä (kuva 10).

Kuva 10. OTC:n Synkro-MIG toiminto mahdollistaa hitsausparametrien muutosten synkronoinnin robotin liikkeiden kanssa.

FC-MIG on toiminto, joka mahdollistaa lisäksi pulssittaa hitsauslankaa edestakaisin ja on synkronoitu pulssihitsausvirran kanssa. Tämä mahdollistaa saada hitsauksen jäljestä lähes samanlaista kuin TIG-
hitsauksesta.

Yhteenveto

AC MIG pulssihitsauskone ja AC-servo-ohjattu langansyöttöjärjestelmä soveltuu erityisesti robottisovelluksiin, joissa vaaditaan erityistä laatua, tarkkuutta ja hitsausprosessin hallintaa, kuten esimerkiksi ohutlevyjen ja alumiinin hitsaus. Hitsausparametrien sisältämän EN-suhteen säätö mahdollistaa hitsisauman muodon ja tunkeuman syvyyden hallinnan yhtä parametria säätämällä. AC MIG pulssihitsaus mahdollistaa robotisoidun hitsauksen suuremmat hitsausnopeudet ilman, että hitsien laatu kärsii.

Lisätietoja:
Kimmo Yli-Anttila
Finnrobotics Oy
050 – 383 4800
info(at)finnrobotics.fi