I generatori AC/DC con il controllo della forma d`onda

I generatori AC/DC con il controllo della
forma d’onda: l’innovazione nella
saldatura ad arco sommerso
(°)
G. Pedrazzo *
C.A. Barone *
G. Rutili **
Sommario / Summary
L’adozione di sistemi di generazione di potenza basata sull’uso di inverter di ultima generazione ad elevata efficienza
unitamente ad un controllo della forma d’onda, sia per quanto
riguarda la frequenza e la durata del periodo nonché il rapporto tra le semionde positive e negative, fanno sì che si
possano concepire processi di giunzione con esecuzione
mista AC/DC.
Regolando opportunamente i parametri che controllano la
forma dell’onda si possono ottenere risultati interessanti e
misurabili in termini di produttività; forma del cordone e penetrazione, apporto termico e distorsioni.
Il presente articolo spiega questi aspetti e presenta una sperimentazione condotta presso il laboratorio Processi Speciali di
Saldatura (PSS) dell’Istituto Italiano della Saldatura nella
realizzazione di cordoni di saldatura su laminati piani in
acciaio strutturale (C-Mn) adottando una metodologia SAW
di stampo “convenzionale” in parallelo con un’altra “Full
Wave Control”. Lo studio comparativo permette di constatare
il reale impatto dell’innovazione.
The introduction of highly efficient inverter based power
systems of the last generation which allow a full control of the
(°) Memoria presentata alle Giornate Nazionali di Saldatura 4 Workshop: “Sviluppi e tendenze dei processi di saldatura
tradizionali” - Genova, 25-26 Ottobre 2007.
* Lincoln Electric Italia S.r.l. - Genova.
** Istituto Italiano della Saldatura - Genova.
wave shape both in frequency, balance and offset has
changed the possibilities of welding with the Subarc process.
By controlling the parameters which determine the wave form
it is possible to achieve outstanding results in terms of productivity, bead shape and penetration, heat input and reduction of distortions.
The paper presents experimental tests made at the laboratory
Processi Speciali di Saldatura (PSS) of the Italian Welding
Institute. Several beads on C-Mn plates have been deposited
both with a conventional Subarc Equipment and with the new
technology “Full Wave Control” provided by the Power Wave
AC-DC by Lincoln Electric.
The compared results give a clear view of the potential of the
new technology.
Keywords:
Carbon manganese steels; efficiency; energy input; penetration; plate; process parameters; submerged arc welding;
waveform; weld shape; welding inverters; welding power
sources.
Riv. Ital. Saldatura - n. 5 - Settembre / Ottobre 2008 627
G. Pedrazzo et al. - I generatori AC/DC con il controllo della forma d’onda: l’innovazione nella saldatura ad arco sommerso
1. Introduzione
A differenza dei processi di saldatura
“ad arco aperto”, il processo di saldatura
ad arco sommerso ha subìto, negli anni,
una evoluzione poco significativa,
almeno dal punto di vista del controllo e
della gestione dell’arco.
Per i processi a filo continuo con protezione gassosa, infatti, al di là dell’evoluzione dei materiali d’apporto (fili
animati per FCAW; fili autoprotetti), si
sono affermate negli anni le seguenti
tendenze di sviluppo:
• impiego di elettronica di potenza applicata al processo che ha consentito
una modulazione delle forme d’onda
applicate all’arco pulsato tale da ottimizzare i parametri in funzione degli
obiettivi/performances fissati;
• utilizzo di fili multipli (Tandem MIG)
finalizzato all’aumento di produttività;
• procedimento STT per trasferimento
in “short arc” con distacco della
goccia pilotato dall’andamento della
corrente nell’arco;
• modalità di trasferimento del materiale d’apporto finalizzate all’ottenimento di elevati tassi di deposito,
grazie all’abbinamento con miscele
quaternarie, che hanno richiesto la
messa a punto di generatori sinergici
di elevata potenza dotati di software
di gestione dedicati.
Nel processo ad arco sommerso la possibilità di regolazione dei parametri era
fino a poco tempo fa limitata al controllo
della velocità del filo (o corrente) e della
tensione. Miglioramenti sostanziali del
tasso di deposito con il mantenimento di
buone caratteristiche meccaniche si sono
avuti con lo sviluppo dei sistemi multiarco largamente usati nella produzione
di tubazioni. Oggi questo limite è stato
superato grazie all’introduzione dell’elettronica di potenza che, anche nell’ambito della tecnologia ad arco sommerso,
consente l’ottimizzazione dell’arco garantendo la gestione ed il controllo di più
parametri elettrici in funzione dei requisiti da soddisfare.
628 Riv. Ital. Saldatura - n. 5 - Settembre / Ottobre 2008
Il presente articolo si propone di illustrare, tramite prove sperimentali, l’influenza dei vari parametri sui quali si
può agire grazie alla tecnologia Power
Wave ® AC/DC 1000 sviluppata dalla
Lincoln Electric. La sperimentazione
condotta è mirata a stabilire una correlazione tra i parametri elettrici e il tasso di
deposito e la geometria del cordone in
applicazioni con il processo ad arco
sommerso. Esperienze in produzione, in
differenti applicazioni industriali, hanno
evidenziato i vantaggi derivanti dalla
possibilità di agire sulla forma dell’onda
in corrente alternata:
• elevati depositi, tipici del DC- con
cordoni più “larghi” e “raccordati”
oppure maggiore penetrazione, in
funzione delle specifiche richieste;
• migliore aspetto del cordone;
• maggiore stabilità dell’arco;
• migliore innesco;
• regolazione (contenimento) dell’apporto termico specifico (rispetto all’apporto tipico associato alla convenzionale alimentazione in DC-);
• riduzione dei fenomeni di distorsione
termica nella saldatura di lamiere
sottili;
• riduzione dei fenomeni di soffio magnetico;
• semplicità di gestione/controllo del
processo di saldatura.
La campagna di prove è stata condotta
utilizzando un generatore Power Wave®
AC/DC 1000 che permette un controllo
completo dei principali parametri elet-
Figura 1
trici, con la possibilità di utilizzare varie
forme d’onda per la corrente (Fig. 1).
Power Wave® AC/DC 1000 infatti , utilizzando una unità modulare a tecnologia inverter basata su controllo digitale,
consente di gestire in maniera flessibile,
senza modifiche hardware e senza cambiare cablaggio, i parametri caratteristici:
• utilizzo della caratteristica a Corrente
Costante o della caratteristica a Tensione Costante (CC vs. CV);
• utilizzo di Corrente Continua (DC+ o
DC-) o Corrente Alternata (AC) con
onda sinusoidale o quadra;
• possibilità di utilizzare frequenze da
10 Hz a 100 Hz;
• controllo del bilanciamento dell’onda
che permette di impostare una maggiore o minore percentuale di componente DC+;
• controllo della compensazione
(Offset) che consente di variare il rapporto tra l’ampiezza delle semionde
positive e negative.
2. Saggi realizzati
Si è scelto di realizzare una serie di
cordoni “bead on plate”, per eliminare le
eventuali differenze dovute alla forma
del cianfrino, mantenendo costanti i
parametri elettrici e geometrici.
• Corrente:
500 A
• Tensione:
30 V
• Stick out:
25 mm
G. Pedrazzo et al. - I generatori AC/DC con il controllo della forma d’onda: l’innovazione nella saldatura ad arco sommerso
• Velocità di saldatura: 580 mm/min
• Filo:
Ø 3.2 mm
• Heat Input:
1.5 kJ/mm
I saggi realizzati ed i parametri utilizzati
sono riportati nella Tabella I.
3. Power Wave® AC/DC 1000
a confronto con sistemi
tradizionali
+ampere
tempo
Grazie alla possibilità di gestire in modo
indipendente frequenza, bilanciamento
dell’onda (Balance) e compensazione
(Offset), la tecnologia Power Wave ®
AC/DC 1000 rende possibili i tassi di
deposito tipici di un DC- senza gli
aspetti negativi di solito legati alla polarità DC-, come il soffio magnetico.
Consente inoltre il controllo della geometria superficiale del cordone limitando l’eccessiva convessità del sovrametallo. Questo aspetto è utile per
ridurre il rischio di incisioni marginali e
possibili “zone d’ombra”, in applicazioni multipass, con conseguenti rischi
di inclusioni di scoria e per ridurre lo
spessore del rivestimento delle tubazioni.
L’uso del processo ad arco sommerso
in modalità DC+, che con macchine
convenzionali è l’unico a garantire facili
inneschi e stabilità d’arco, comporta
una buona profondità di penetrazione,
il controllo della quale viene ottenuto
-ampere
I Ciclo
Figura 2
tramite la regolazione della corrente
di saldatura, associata alla velocità del
filo.
L’utilizzo di una tecnologia basata su
corrente alternata modulata in onda
quadra permette invece di scegliere accuratamente la profondità di penetrazione senza peraltro dover rinunciare ad
una elevata produttività (elevato tasso di
deposito). Inoltre, rispetto alle convenzionali tecnologie basate sull’impiego di
corrente alternata con onda sinusoidale,
la tecnologia Power Wave® AC/DC 1000
presenta il vantaggio di un arco più
stabile.
Il tempo di transizione è una tipica causa
di instabilità dell’arco normalmente associata con la modalità AC.
Come si può rilevare dalla Figura 2,
il tempo di transizione per un’onda sinusoidale è maggiore di quello dell’onda
quadra di pari valore efficace di
corrente.
La riduzione del periodo di transizione
si traduce ovviamente in maggiore stabilità dell’arco.
TABELLA I - Saggi realizzati nel programma sperimentale.
Saggio
Corrente
Controllo
Polarità
Frequenza
[Hz]
A
DC
CC
+
n.a.
Bilanciamento
Offset
0
B
DC
CC
-
n.a.
C
AC
CC
n.a.
60
50%
0
0
D
AC
CC
n.a.
60
0
E
AC
CC
n.a.
60
75%
25%
F
AC
CC
n.a.
60
50%
-25
G
AC
CC
n.a.
60
50%
+25
H
AC
CC
n.a.
20
50%
0
I
AC
CC
n.a.
40
50%
0
L
AC
CC
n.a.
80
50%
0
M
AC
CC
n.a.
100
50%
0
N
AC
CC
n.a.
60
75%
+25
O
AC
CC
n.a.
60
25%
-25
P
AC
CC
n.a.
20
25%
-25
Q
AC
CC
n.a.
100
25%
-25
0
Riv. Ital. Saldatura - n. 5 - Settembre / Ottobre 2008 629
G. Pedrazzo et al. - I generatori AC/DC con il controllo della forma d’onda: l’innovazione nella saldatura ad arco sommerso
+ampere
+ampere
tempo
tempo
-ampere
-ampere
Figura 3
Figura 4
4. Effetti del bilanciamento
dell’onda quadra
Il bilanciamento è espresso come percentuale di componente DC+. Nelle
Figure 3 e 4 si rappresentano schematicamente le due situazioni estreme di bilanciamento.
La situazione nella Figura 3 rappresenta
un bilanciamento 25% ovvero per il 25%
del tempo l’arco è positivo, mentre per il
rimanente 75% è negativo. Il caso
opposto si verifica per la situazione rappresentata nella Figura 4.
La possibilità di bilanciare la percentuale di polarità positiva o negativa
incide sul controllo del tasso di deposito
e la profondità di penetrazione. Con una
più alta percentuale di corrente positiva
si otterranno infatti profondità di penetrazione più elevate e minori tassi di deposito.
Le prove sperimentali condotte hanno
consentito di mettere a confronto i risultati ottenuti utilizzando le tecnologie
convenzionali DC+ e DC-, con i risultati
ottenibili mediante la modulazione dell’onda quadra.
Si riportano nella Tabella II i valori ottenuti per le grandezze ritenute significa-
tive per la qualità di forma e di profilo
del cordone e per la quantità di deposito
ottenibile.
Al diminuire della percentuale di componente positiva, tra i due estremi “convenzionali” DC+ e DC- si verifica un
aumento del tasso di deposito cui corrisponde una diminuzione della profondità di penetrazione. Tra il provino E ed
il provino D, ovvero tra i due estremi del
bilanciamento, si rileva un aumento del
tasso di deposito pari circa al 22%,
Figura 5 - Effetti del bilanciamento sull’onda quadra.
TABELLA II - Parametri significativi del deposito di saldatura.
Mod.
Bilanciamento
Offset
A
DC+
#
0
60
CC
E
AC
25%
0
60
Frequenza
Controllo
P
r
o
v
i
n
o
Vmedia
avanzamento
filo
Velocità di
esecuzione
mm/s
cm/min
29.07
58
CC
26.52
58
Hz
Tasso di
deposito
Larghezza
cordone
Profondità di
penetrazione
Sovrametallo
g/s
mm
mm
mm
1.55
15.4
5.4
2.1
1.67
14.5
4.8
2.3
C
AC
75%
0
60
CC
29.12
58
1.84
15.4
4.3
2.3
D
AC
25%
0
60
CC
32.29
58
2.04
17.9
3.5
2.6
B
DC-
#
0
60
CC
42.24
58
2.67
17.5
3.2
3.1
630 Riv. Ital. Saldatura - n. 5 - Settembre / Ottobre 2008
G. Pedrazzo et al. - I generatori AC/DC con il controllo della forma d’onda: l’innovazione nella saldatura ad arco sommerso
Mod.
Bilanciamento
Offset
G
AC
50%
25
60
C
AC
50%
0
60
F
AC
50%
-25
60
Frequenza
Hz
mentre la profondità di penetrazione è
diminuita del 29% circa.
Si rileva inoltre che la geometria del
cordone risulta sempre meglio “raccordata” all’aumentare della componente
positiva.
Pur essendo uguale il valore dell’apporto
termico calcolato, è importante evidenziare che, all’aumentare della percentuale di componente negativa, aumenta
la percentuale di energia termica localizzata sul filo, riducendo la quota parte di
energia termica che si distribuisce sul
pezzo da saldare con la conseguenza di
un minore ingrossamento del grano.
La Figura 5 illustra in dettaglio l’influenza del bilanciamento sull’onda
quadra.
5. Effetto della compensazione
(Offset)
50% Negativo 50% Positivo
Tot. ampere
La variazione dell’Offset, riportata nella
Figura 6, rappresenta la capacità del
sistema di aumentare o diminuire la dimensione della porzione positiva o negativa dell’ampiezza totale della corrente.
Il range di variabilità consentito dal
sistema è tra +25% e –25% in maniera
continua.
Figura 6 - Variazioni dell’Offset.
Vmedia
avanzamento
filo
Velocità di
esecuzione
mm/s
cm/min
CC
27.45
58
CC
29.12
58
CC
31.01
58
Tasso di
deposito
Larghezza
cordone
Profondità di
penetrazione
Sovrametallo
g/s
mm
mm
mm
1.73
13.6
4.7
2.2
1.84
15.4
4.3
2.3
1.96
16.3
3.7
2.3
Un valore dell’Offset pari a +25% equivale ad un aumento della componente
positiva, con conseguente aumento della
profondità di penetrazione a svantaggio
del tasso di deposito.
In maniera diametralmente opposta un
valore di –25%, con conseguente abbassamento della curva a favore di una componente negativa più elevata, consentirà
un tasso di deposito più elevato ed un
valore della profondità di penetrazione
inferiore.
Si riportano nella Tabella III i risultati
della sperimentazione condotta.
Sono stati messi a confronto i risultati
ottenuti con i valori estremi dell’Offset
consentito.
Con un Offset pari a +25%, quindi con
una maggiore ampiezza della semionda
positiva (tra +375 e –625°), si è ottenuto
un giunto con
buona profondità
+500 ampere
di penetrazione,
4.7 mm, ma tasso
di deposito inferiore a quello ottenuto con Offset
–25%, ovvero con
0
diagramma di
corrente “traslato” verso il
50% Positivo
50% Negativo
25% Positivo
75% Negativo
basso (tra -375 e +625°).
Tra il provino G ed il provino F, ovvero
tra i due estremi del range dell’Offset, si
rileva un aumento del tasso di deposito
pari a circa il 13%, mentre la profondità
di penetrazione è diminuita del 21%
circa.
La Figura 7 illustra i risultati ottenuti.
6. Effetto della frequenza
Rispetto all’alimentazione di rete, 50 o
60 Hz, la tecnologia Power Wave ®
AC/DC 1000 consente un più ampio
range di variabilità, compreso tra i 10 e i
100 Hz.
Le prove condotte dai colleghi americani sembrano mostrare un andamento
non lineare della profondità di penetra-
-500 ampere
Tot. ampere
P
r
o
v
i
n
o
Controllo
TABELLA III - Variazioni dell’Offset e risultati ottenuti.
Figura 7 - Variazioni dell’Offset.
Riv. Ital. Saldatura - n. 5 - Settembre / Ottobre 2008 631
G. Pedrazzo et al. - I generatori AC/DC con il controllo della forma d’onda: l’innovazione nella saldatura ad arco sommerso
+500 ampere
tempo
0
-500 ampere
illustrato nella Figura 10.
I valori rilevati possono essere salvati su
file di testo per una visualizzazione
futura.
Il sistema consente il controllo remoto in
alternativa all’utilizzo della cassetta controllo, sia per arco singolo che per
sistemi multiarco, pur mantenendo facilità di utilizzo sia per gli operatori che
per i controllori.
Sono inoltre disponibili programmi di
diagnostica con i quali:
• è possibile eseguire la calibrazione
degli strumenti del generatore in
modo facile e preciso;
• è possibile verificare periodicamente
l’integrità ed il deterioramento dei
cavi di potenza misurandone la resistenza ed il valore di induttanza rispetto al valore registrato all’avviamento dell’impianto.
Figura 8 - Risultati ottenuti con la variazione di frequenza.
8. Conclusioni
zione con la frequenza, con la tendenza
a una diminuzione della penetrazione
alle frequenze più alte.
Le prove da noi condotte confermano
questo andamento e anche la necessità
di approfondire l’influenza della frequenza con una campagna di prove più
estesa.
La Tabella IV e la Figura 8 illustrano sia
i parametri sperimentali che il risultato
del cambio di frequenza.
Stato
macchina
Indicatore
arco
7. Comunicazione software
Uno dei vantaggi rappresentati dall’impiego della tecnologia Power Wave ®
AC/DC 1000 è costituito dalla possibilità di interfacciarsi via software con la
macchina in modo semplice, direttamente tramite un normale PC (Fig. 9).
I software disponibili consentono la visualizzazione su grafico dinamico di
corrente, tensione e velocità filo, come
Le prove condotte confermano le enormi
potenzialità di miglioramento della produttività e di controllo della geometria
del cordone ottenibili con l’impiego del
Power Wave® AC/DC 1000 nell’esecuzione di giunti saldati in arco sommerso
grazie alla possibilità di controllare in
modo indipendente:
• la caratteristica dell’arco (CC / CV);
• la modalità di esecuzione, se in DC o
Valori di lavoro
Corrente/WFS
Controllo filo
a freddo
Figura 9 - Gestione informatica della
macchina tramite PC.
632 Riv. Ital. Saldatura - n. 5 - Settembre / Ottobre 2008
Figura 10 - Andamento dei parametri elettrici di processo.
G. Pedrazzo et al. - I generatori AC/DC con il controllo della forma d’onda: l’innovazione nella saldatura ad arco sommerso
TABELLA IV - Variazioni della frequenza e risultati ottenuti.
Mod.
Bilanciamento
Offset
H
AC
50%
0
20
CC
I
AC
50%
0
40
C
AC
50%
0
L
AC
50%
0
M
AC
50%
0
Controllo
P
r
o
v
i
n
o
Vmedia
avanzamento
filo
Velocità di
esecuzione
mm/s
cm/min
29.78
58
CC
27.42
58
60
CC
29.12
80
CC
28.87
100
CC
27.22
Frequenza
Hz
in CA sinusoidale o CA a onda
quadra;
• le frequenze in un range di variabilità
da 10 Hz a 100 Hz;
• il bilanciamento dell’onda;
• la compensazione (Offset).
Queste potenzialità sono state verificate
con successo in diversi comparti industriali, con l’utilizzo in produzione di
questa tecnologia per la saldatura di recipienti in pressione su un’ampia gamma
di materiali e spessori, per la saldatura di
strutture e carpenteria pesante, per la saldatura di tubazioni per il trasporto di gas
e tubazioni per applicazioni strutturali.
Tasso di
deposito
Larghezza
cordone
Profondità di
penetrazione
Sovrametallo
g/s
mm
mm
mm
1.88
14.4
4.5
1.9
1.73
16.5
4.2
2.2
58
1.84
15.4
4.3
2.3
58
1.82
15.5
4.4
2.1
58
1.72
15.6
4.3
2.4
Giovanni PEDRAZZO, laureato in Ingegneria Meccanica, è il Direttore
Commerciale Lincoln Electric Italia per il Sud-Est Europa. Dal 1976 in
Ansaldo Energia (Genova) alla progettazione turbine a vapore, quindi dal
1981 in ARMCO (Genova), in qualità di Responsabile consumabili, robotica,
taglio automatico e procedimenti di saldatura. Dal 1985 in Lincoln come
Responsabile della filiale italiana. Ha ottenuto la certificazione “European
Welding Engineer”.
Carmela Andrea BARONE, ha conseguito nel 2003 la laurea in Ingegneria
Meccanica presso il Politecnico di Bari. Dal 2003 al 2007 ha lavorato
nell’ambito della manutenzione e costruzione di impianti industriali presso la
Società Cestaro Rossi S.p.A. di Bari. Dal 2007 riveste il duplice ruolo di Weld
Tech Manager e Consumables Manager presso la Lincoln Electric Italia S.r.l..
Gianluca RUTILI, laureato in Ingegneria Meccanica presso l’Università di
Genova. Funzionario dell’Istituto Italiano della Saldatura dal 2001,
attualmente è in forza all’Area Ricerca Processi Speciali Saldatura. Si occupa
di ispezione, assistenza e sviluppo dei processi di saldatura manuali ed
automatizzati e svolge attività di ricerca sulla saldatura di materiali avanzati
e sui procedimenti di saldatura innovativi con particolare indirizzo sui sistemi
a filo continuo, ad arco sommerso, laser, saldatura/taglio plasma e friction
stir welding.
Norme per la qualificazione dei saldatori,
degli operatori di saldatura e dei brasatori
elaborate dal CEN /TC121 “Welding”
EN 287-1
EN 1418
EN ISO 9606- 2
EN ISO 9606-3
EN ISO 9606-4
EN ISO 9606-5
EN 13133
EN ISO 15618- 1
EN ISO 15618- 2
Qualification test of welders - Fusion welding - Part 1: Steels
Welding personnel - Approval testing of welding operators for fusion welding and resistance weld
setter for fully mechanized and automatic welding of metallic materials
Qualification test of welders - Fusion welding - Part 2: Aluminium and aluminium alloys
Approval testing of welders - Fusion welding - Part 3 - Copper and copper alloys
Approval testing of welders - Fusion welding - Part 4 - Nickel and nickel alloys
Approval testing of welders - fusion welding - titanium and titanium alloys, zirconium and zirconium
alloys
Brazing - Brazer approval
Approval testing of welders for underwater welding - Part 1: Diver-welders for hyperbaric wet
welding
Approval testing of welders for underwater welding - Part 2: Diver-welders and welding operators for
hyperbaric dry welding
Riv. Ital. Saldatura - n. 5 - Settembre / Ottobre 2008 633