جوشکاری توسط تکنولوژی جدید CMT

                                              

با ورود جوشکاری به عنوان روشی جدید در اتصال مواد، امکان پیوستگی بین بخش‌های یک سازه تا حدی برقرار شد که قسمت‌های مختلف آن یکپارچه شدند و انسجام ساختاری بر کل ساختمان سازه حاکم گشت. اما فرایندهای رایج جوشکاری محدودیت‌هایی نیز به همراه دارند، به طور مثال امکان اتصال دو قطعه با اختلاف دمای ذوب بسیار زیاد توسط فرایندهای ذوبی رایج وجود ندارد و یا دو ورق با اختلاف ضخامت زیاد را نمی‌توان توسط این فرایندها به یکدیگر جوشکاری نمود. با پیشرفت علم جوشکاری، جهت پر نمودن این خلا از فرایندهای جوشکاری غیرذوبی کمک گرفته شد، البته چنین فرایندهایی نیز سرعت جوشکاری کم و هزینه تمام شده بسیار زیادی داشتند. برای جوشکاری این قطعات باید حرارت ورودی کمی‌در واحد طول وارد قطعه شود. سال ۲۰۰۵ شرکت فرونیوس[۱] روش جدیدی را برای جوشکاری در چنین شرایطی به بازار معرفی نمود که قابلیت صنعتی شدن داشت.

تکنولوژی انتقال فلز سرد[۲] روش صنعتی جدیدی است که در واقع فرایند تکمیل شده جوشکاری قوس فلزی با گاز[۳] می‌باشد  که ویژگی اصلی آن تغییر از حالت گرم به سرد و از حالت سرد به گرم با سرعت بسیار زیاد است. در واقع انتقال قطره بر پایه حالت جوشکاری قوس فلزی گازی مدار کوتاه[۴]  در جوشکاری قوس الکترود گاز صورت می‌گیرد. البته باید توجه داشت که استفاده از کلمه سرد در نام این فرایند جدید با توجه به دمای دیگر فرایندهای جوشکاری است. با کمک این فرایند که توانایی اصلی آن در کنترل حرکت فلز پرکننده است، جوشکاری و لحیم کاری سخت توسط روبات فرایند جوشکاری قوس فلزی با گاز، بدون پاشش و برای ضخامت‌های بیشتر از ۳/۰ میلیمتر انجام می‌شود. انتقال فلز سرد، فرایند جدیدی است که تولید انبوه آن پس از پنج سال تحقیق انجام شد و هنوزهم بیشتر تولیدات آن در حال پیشرفت هستند. شکل ۱ تصویر کلی دستگاه جوشکاری انتقال فلز سرد اتوماتیک را نشان می‌دهد.    

 

              

                                 شکل۱- تصویر کلی دستگاه جوشکاری انتقال فلز سرد اتوماتیک.

کنترل فرایند توسط حرکات مفتول

در فرایند انتقال فلز سرد، برای اولین بار در کل فرایندهای جوشکاری، حرکات مفتول جوشکاری به عقب و جلو، کنترل کننده فرایند جوشکاری است. قسمت تنظیم کننده فرایندهای دیجیتال بخشی از دستگاه است که در هنگام اتصال کوتاه، مفتول را عقب کشیده و قطره مذاب را خارج می‌نماید. تمام این عملیات به صورت دیجیتال کنترل می‌شود. این مورد اولین تفاوت اصلی با فرایندهای معمول جوشکاری به صورت انتقال غوطه ور[۵]است.

کاهش حرارت ورودی

دومین تفاوت فرایند انتقال فلز سرد، انتقال فلز در هنگامی‌است که جریان مدار قطع می‌باشد. ابتدا مفتول به جلو حرکت می‌کند و بلافاصله پس از برقراری اتصال کوتاه به صورت خودکار عقب کشیده می‌شود. به این طریق حرارت تنها در زمان بسیار کمی، در هنگام برقراری قوس وارد قطعه می‌شود. پس از این مرحله حرارت ورودی بسیار کاهش می‌یابد و همین طور شرایط مکررا از حالت گرم به سرد و سرد به گرم تغییر می‌یابد.

انتقال فلز بدون پاشش

سومین تفاوت اصلی فرایند انتقال فلز سرد، انجام جوشکاری بدون پاشش است. حرکت رو به عقب مفتول موجب جدا شدن قطره از منطقه جوش در هنگام اتصال کوتاه می‌شود. هنگامی‌که اتصال کوتاه کنترل شده و در مدت زمان بسیار کمی‌انجام می‌شود، انتقال فلز بدون پاشش صورت می‌گیرد.

دیگر مزیت‌های کاربردی فرایند جوشکاری انتقال فلز سرد شامل موارد زیر است:

جوشکاری و لحیم کاری بدون پاشش مذاب.

اتصال فولاد و آلومینیوم

جوشکاری ورق‌های نازک، (با ضخامت بیشتر از ۰٫۳ میلیمتر)

جوشکاری پاس ریشه اتصالات شیاری که نیاز به پشت بند دارند.

هماهنگی کامل سامانه دستگاه جوشکاری با فرایند انتقال فلز سرد

پیش از عملی شدن اجرای فرایند انتقال فلز سرد، قسمت‌های مختلف سامانه دستگاه جوشکاری مطابق نیازهای آن باید طراحی و ساخته شوند. طراحی ویژه تغذیه کننده مفتول، مشخصه فرایند انتقال فلز سرد است که از لحاظ تکنولوژیکی اهمیت زیادی دارد.

در این سامانه دو تغذیه کننده مفتول به صورت مجزا از یکدیگر وجود دارند که دیجیتالی کنترل می‌شوند. یکی در جلو و دیگری پیش برنده روباتیک ویژه در عقب است که مفتول را تا سرعت ۷۰ بار در  ثانیه به جلو وعقب می‌برد. این سرعت را باید با پیش برنده معمولی(SyncroPlus) که تنها ۵ بار در ثانیه، مفتول را به جلو وعقب می‌برد مقایسه نمود. تغذیه کننده اولیه (VR 7000 CMT) مفتول را از پشت هدایت می‌کند. تغذیه کننده جلویی (Robocta Drive CMT) بدون دنده است و با یک  سرو موتور با جریان متناوب عمل تغذیه مفتول را انجام می‌دهد. این تغذیه کننده مفتول، تغذیه دقیق و با فشار تماسی ثابت را ضمانت می‌نماید. آنچه در این سامانه جدید است، مستقل عمل نمودن torch hosepack  و امکان تغییر سریع، بدون نیاز به دوباره شروع کردن TCP (tool centre point) می‌باشد.

به علاوه، یک میانگیر مفتول(wire buffer)، نیز بین دو تغذیه کننده استفاده می‌شود. که وظیفه آن جدا نمودن دو مفتول از یکدیگر و افزایش ظرفیت ذخیره مفتول است. در شرایط ایده آل، میانگیر مفتول روی برقرار کننده تعادل نصب می‌شود، اما روی سومین محور روبات نیز قابل نصب است. باید این نکته را ذکر نمود که برای قراردادن مفتول در میانگیر مفتول، تنها باید در آن را باز نمود، قرقره قدیمی‌را خارج کرد، مفتول جدید را قرار داد و در را بست.

پیکربندی دستگاه جوشکاری انتقال فلز سرد

همان طور که پیش از این ذکر شد، فرایند جوشکاری انتقال فلز سرد، روشی جدید است. به همین دلیل در مقایسه با دیگر دستگاه‌های دیجیتال جوشکاری، ویژگی‌های جدیدی در این سامانه وجود دارد. در این سامانه، تمام قسمت‌های دستگاه مطالعه شده، برای کار در دستگاه جوشکاری انتقال فلز سرد بهینه سازی شده و برای کار با یکدیگر هماهنگ شده اند. شکل ۲ تصویر کلی دستگاه انتقال فلز سرد دستی را نشان می‌دهد، اما باید توجه داشت که تغییرات مختلفی در طراحی دستگاه قابل اجرا هستند.

                

                                         شکل۲- تصویر کلی دستگاه انتقال فلز سرد دستی.

اجزای اصلی دستگاه جوشکاری انتقال فلز سرد

۱-   واحد منبع قدرت TPS 3200/4000/5000 CMT

کنترل این قسمت کاملا دیجیتال، با میکروپروسسور و منبع قدرت دیجیتالی اینورتر GMA (320، ۴۰۰ و ۵۰۰ آمپر) به همراه مجموعه عملیاتی ویژه فرایند انتقال فلز سرد قرار دارد.

۲-   واحد کنترل RCU 5000i

قسمت کنترل با صفحه نمایشی کاملا متنی، اطلاعات جوشکاری با عمل کرد Q-Master را نمایش داده و دستور دادن به آن آسان است.

۳-   واحد سرمایش FK 4000 R

واحد قدرتمند سرمایش، قسمتی قابل اعتماد از مجموعه است که تضمین کننده سرد شدن بهینه مشعل جوشکاری روبات بوده و با آب خنک می‌شود.

۴-   رابط روبات

قسمت رابط روبات مناسب تمام روبات‌های آنالوگ و field-bus است.

۵-   واحد تغذیه کننده VR 7000 CMT

قسمت تغذیه کننده دیجیتالی مفتول برای کار با تمام انواع بسته بندی مفتول مناسب است.

۶-   Robacta Drive CMT

این قسمت دارای مشعل جوشکاری روبات فشرده به صورت دیجیتال کنترل می‌شود، بدون دنده بوده و دارای سرو موتور AC دینامیک است. که برای تغذیه دقیق مفتول با فشار تماسی ثابت طراحی شده.

۷-   میانگیر مفتول

این قسمت جدا کننده دو مفتول از یکدیگر بوده و ظرفیتی مضاعف برای ذخیره مفتول فراهم می‌آورد. این ظرفیت اضافی برای صعود در متعادل کننده و یا محور سوم روبات استفاده می‌شود.

۸-   واحد تامین مفتول

کاربردها

فرایند انتقال فلز سرد استاندارد جوشکاری جدیدی را تعریف نموده و مناسب صنعت خودرو، هوافضا و سازه است. به ویژه در فرایندهایی که کاملا اتومات هستند و در آنها از فلز پرکننده استفاده می‌شود کاربرد گسترده ای دارد. با استفاده از فرایند انتقال فلز سرد، کاربردهای جدیدی در جوشکاری ایجاد می‌شوند.

کاربردهای خاص این فرایند شامل جوشکاری تمام ورق‌های نازک با ضخامتی بیشتر از ۰٫۳ میلیمتر، لحیم سخت ورق‌های گالوانیزه و برای اتصال فولاد به آلومینیوم است. شکل۳  اتصال جوش شیاری بدون استفاده از پشت بند ورق AlMg3 با ضخامت ۳/۰ میلیمتر را نشان می‌دهد. اما باید توجه داشت که فرایند انتقال فلز سرد، شرایط کاری جوشکاران را نیز تسهیل می‌نماید، به طور مثال پاشش مذاب کمتر بوده و نیازی به استفاده از پشت بند نیست و یا در شرایطی لازم بود که از دو فرایند مختلف جهت ایجاد یک اتصال استفاده شود نیز می‌توان تنها از فرایند انتقال فلز سرد استفاده نمود. 

              

              شکل۳ – اتصال جوش شیاری بدون استفاده از پشت بند ورق AlMg3 با ضخامت ۳/۰ میلی متر.

قیمت تمام شده، تعمیرات و نگهداری، ایمنی

استفاده از روش انتقال فلز سرد موجب می‌شود که دیگر به انجام بعضی از اقداماتی که تاکنون ضروری بوده اند نیازی نباشد. به طور مثال عدم پاشش موجب می‌شود که هزینه مضاعفی برای تمیز کردن سطوح پس از جوشکاری پرداخت نشود. امکان جوشکاری شیاری ورق‌ها بدون هزینه‌های خرید و نصب پشت بند فراهم می‌گردد. علاوه بر این، امکان پل زدن بین فاصله‌های زیادی که بین لبه‌ها وجود دارد، مدیریت فرایند را بهبود داده و استفاده از روبات را تسهیل می‌نماید.

دستگاه جوشکاری انتقال فلز سرد، امکان تبدیل شدن به دستگاه جوشکاری قوس فلز با گاز و جوشکاری قوس فلز با گاز پالسی را هم دارد. تمام مزایایی که دستگاه‌های دیجیتال جوشکاری قوس فلز با گاز دارند به طور کامل در دستگاه جوشکاری انتقال فلز سرد نیز وجود دارد. باید توجه داشت که در این دستگاه مسیر تجهیزات گازی تا مشعل جوشکاری به نحوی طراحی شده است که هیچ گونه نشتی در این سامانه وجود نداشته باشد. دستگاه جوشکاری فلز سرد، نسبت به فرایندهای مشابه از امنیت کاری بیشتری نیز برخوردار است.  به طور مثال به دلیل عدم وجود جرقه، بخارهای سمی‌جوشکاری نیز کمتر تولید می‌شود.

حداقل حرارت ورودی

فرایند انتقال فلز سرد فاصله دقیق مکانیکی را بدون توجه به طبیعت قطعه کار مشخص کرده و حتی جوشکاری موادی که اتصال آنها دشوار است نیز امکان پذیر می‌نماید. علاوه بر این با افزایش کارایی و قابلیت اطمینان فرایند، جوشکاری اتومات نیز امکان پذیر می‌شود. مزیت دیگر این فرایند، حرارت ورودی کم آن در مقایسه با فرایندهای مرسوم جوشکاری ذوبی است. تغییر حرارت مداوم از گرم به سرد و بالعکس موجب کاهش حرارت ورودی شده و به این طریق حتی اتصال ورق‌های نازک نیز امکان پذیر می‌شود. در روش‌های رایج این خطر وجود دارد که ورق‌ها بیش از حد جوشکاری شوند و یا اصلا اتصال برقرار نشود. در حالی که در فرایند انتقال فلز سرد، انتقال هدفمند فلز پرکننده، شرایط را برای ایجاد پلی انعطاف پذیر فراهم می‌آورد.

یکی از دلایل کیفیت خوب اتصالات در فرایند انتقال فلز سرد در واقع توانایی این فرایند در پر کردن فاصله ریشه و پیچش کم قطعه است. به علاوه تکنولوژی ایمنی بالایی که این فرایند از آن استفاده می‌کند، امکان مکانیزه کزدن و استفاده از روباتها را به آسانی فراهم می‌آورد. از فرایند انتقال فلز سرد برای اتصال قطعات بزرگ دیواره واگن قطار به سقف آن استفاده می‌شود. پیش از این از فرایند قوس فلزی با گاز و قطعات ضخیم برای ساخت این سازه استفاده میشد. اما امروزه با وجود استفاده از فرایند انتقال فلز سرد، حتی حفاظت از قطعات گالوانیزه در مقابل خوردگی نیز به خوبی انجام می‌شود. زیرا آلیاژ فلز روی به نصبت بسیار کمتری در مقایسه با دیگر فرایندها بخار شده و به این طریق حفاظت بهتری در مقابل خوردگی ایجاد می‌نماید.

در گذشته با استفاده از فرایندهای جوشکاری که وجود داشتند، در بسیاری از موارد با وجود آن که از نظر طراحی به قطعه ای نازک نیاز بود، از قطعات ضخیم استفاده میشد تا جوشکاری آنها امکان پذیر گردد. اما امروزه با استفاده از فرایند جوشکاری انتقال فلز سرد، امکان استفاده از قطعات نازک نیز فراهم شده است. 

مراجع

۱-The CMT Process, A Revolution in Materials-Joining Technology, Brighton: Fronius USA LLC, 2004.

۲-CMT: Cold Metal Transfer, MIG/MAG dip-transfer arc process, Brighton: Fronius USA LLC, 2007

۳-CMT: Cold Metal Transfer,MIG/MAG dip-transfer process for automated applications. Brighton: Fronius USA LLC, 2004

۴-A Feasibility Study of “Cold Metal Transfer” – Gas Metal Arc Welding (CMT-GMAW) Nickel Base Superalloy Inconel 718™, Timothy Patrick Hasselberg, MSc Thesis, Rensselaer Polytechnic Institute, 2009

[۱] Fronius

[۲] Cold Metal Transfere – CMT

[۳] Gas Metal Arc Welding – GMAW

[۴] Short circuit gas metal arc welding

[۵] dip-transfer