I generatori AC/DC con il controllo della forma d'onda ... · † semplicità di gestione/controllo...

627Riv. Ital. Saldatura - n. 5 - Settembre / Ottobre 2008

(°) Memoria presentata alle Giornate Nazionali di Saldatura 4 -Workshop: “Sviluppi e tendenze dei processi di saldaturatradizionali” - Genova, 25-26 Ottobre 2007.

* Lincoln Electric Italia S.r.l. - Genova.** Istituto Italiano della Saldatura - Genova.

Sommario / Summary

I generatori AC/DC con il controllo dellaforma d’onda: l’innovazione nellasaldatura ad arco sommerso (°)

G. Pedrazzo *C.A. Barone *G. Rutili **

L’adozione di sistemi di generazione di potenza basata sul-l’uso di inverter di ultima generazione ad elevata efficienzaunitamente ad un controllo della forma d’onda, sia per quantoriguarda la frequenza e la durata del periodo nonché il rap-porto tra le semionde positive e negative, fanno sì che sipossano concepire processi di giunzione con esecuzionemista AC/DC.Regolando opportunamente i parametri che controllano laforma dell’onda si possono ottenere risultati interessanti emisurabili in termini di produttività; forma del cordone e pe-netrazione, apporto termico e distorsioni.Il presente articolo spiega questi aspetti e presenta una speri-mentazione condotta presso il laboratorio Processi Speciali diSaldatura (PSS) dell’Istituto Italiano della Saldatura nellarealizzazione di cordoni di saldatura su laminati piani inacciaio strutturale (C-Mn) adottando una metodologia SAWdi stampo “convenzionale” in parallelo con un’altra “FullWave Control”. Lo studio comparativo permette di constatareil reale impatto dell’innovazione.

The introduction of highly efficient inverter based powersystems of the last generation which allow a full control of the

wave shape both in frequency, balance and offset haschanged the possibilities of welding with the Subarc process.By controlling the parameters which determine the wave formit is possible to achieve outstanding results in terms of pro-ductivity, bead shape and penetration, heat input and reduc-tion of distortions.The paper presents experimental tests made at the laboratoryProcessi Speciali di Saldatura (PSS) of the Italian WeldingInstitute. Several beads on C-Mn plates have been depositedboth with a conventional Subarc Equipment and with the newtechnology “Full Wave Control” provided by the Power WaveAC-DC by Lincoln Electric.The compared results give a clear view of the potential of thenew technology.

Keywords:Carbon manganese steels; efficiency; energy input; penetra-tion; plate; process parameters; submerged arc welding;waveform; weld shape; welding inverters; welding powersources.

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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 saldaturaad arco sommerso ha subìto, negli anni,una evoluzione poco significativa,almeno dal punto di vista del controllo edella gestione dell’arco.Per i processi a filo continuo con prote-zione gassosa, infatti, al di là dell’evolu-zione dei materiali d’apporto (filianimati per FCAW; fili autoprotetti), sisono affermate negli anni le seguentitendenze di sviluppo: • impiego di elettronica di potenza ap-

plicata al processo che ha consentitouna modulazione delle forme d’ondaapplicate all’arco pulsato tale da otti-mizzare i parametri in funzione degliobiettivi/performances fissati;

• utilizzo di fili multipli (Tandem MIG)finalizzato all’aumento di produttività;

• procedimento STT per trasferimentoin “short arc” con distacco dellagoccia pilotato dall’andamento dellacorrente nell’arco;

• modalità di trasferimento del mate-riale d’apporto finalizzate all’otteni-mento di elevati tassi di deposito,grazie all’abbinamento con miscelequaternarie, che hanno richiesto lamessa a punto di generatori sinergicidi elevata potenza dotati di softwaredi gestione dedicati.

Nel processo ad arco sommerso la possi-bilità di regolazione dei parametri erafino a poco tempo fa limitata al controllodella velocità del filo (o corrente) e dellatensione. Miglioramenti sostanziali deltasso di deposito con il mantenimento dibuone caratteristiche meccaniche si sonoavuti con lo sviluppo dei sistemi mul-tiarco largamente usati nella produzionedi tubazioni. Oggi questo limite è statosuperato grazie all’introduzione dell’e-lettronica di potenza che, anche nell’am-bito della tecnologia ad arco sommerso,consente l’ottimizzazione dell’arco ga-rantendo la gestione ed il controllo di piùparametri elettrici in funzione dei requi-siti da soddisfare.

Il presente articolo si propone di illu-strare, tramite prove sperimentali, l’in-fluenza dei vari parametri sui quali sipuò agire grazie alla tecnologia PowerWave®AC/DC 1000 sviluppata dallaLincoln Electric. La sperimentazionecondotta è mirata a stabilire una correla-zione tra i parametri elettrici e il tasso dideposito e la geometria del cordone inapplicazioni con il processo ad arcosommerso. Esperienze in produzione, indifferenti applicazioni industriali, hannoevidenziato i vantaggi derivanti dallapossibilità di agire sulla forma dell’ondain corrente alternata:• elevati depositi, tipici del DC- con

cordoni più “larghi” e “raccordati”oppure maggiore penetrazione, infunzione delle specifiche richieste;

• migliore aspetto del cordone;• maggiore stabilità dell’arco;• migliore innesco;• regolazione (contenimento) dell’ap-

porto termico specifico (rispetto al-l’apporto tipico associato alla con-venzionale alimentazione in DC-);

• riduzione dei fenomeni di distorsionetermica nella saldatura di lamieresottili;

• riduzione dei fenomeni di soffio ma-gnetico;

• semplicità di gestione/controllo delprocesso di saldatura.

La campagna di prove è stata condottautilizzando un generatore Power Wave®

AC/DC 1000 che permette un controllocompleto dei principali parametri elet-

trici, con la possibilità di utilizzare varieforme d’onda per la corrente (Fig. 1).Power Wave® AC/DC 1000 infatti , uti-lizzando una unità modulare a tecnolo-gia inverter basata su controllo digitale,consente di gestire in maniera flessibile,senza modifiche hardware e senza cam-biare cablaggio, i parametri caratteri-stici:• utilizzo della caratteristica a Corrente

Costante o della caratteristica a Ten-sione Costante (CC vs. CV);

• utilizzo di Corrente Continua (DC+ oDC-) o Corrente Alternata (AC) cononda sinusoidale o quadra;

• possibilità di utilizzare frequenze da10 Hz a 100 Hz;

• controllo del bilanciamento dell’ondache permette di impostare una mag-giore o minore percentuale di compo-nente DC+;

• controllo della compensazione(Offset) che consente di variare il rap-porto tra l’ampiezza delle semiondepositive e negative.

2. Saggi realizzati

Si è scelto di realizzare una serie dicordoni “bead on plate”, per eliminare leeventuali differenze dovute alla formadel cianfrino, mantenendo costanti iparametri elettrici e geometrici.• Corrente: 500 A• Tensione: 30 V• Stick out: 25 mm

Figura 1



tramite la regolazione della correntedi saldatura, associata alla velocità delfilo.L’utilizzo di una tecnologia basata sucorrente alternata modulata in ondaquadra permette invece di scegliere ac-curatamente la profondità di penetra-zione senza peraltro dover rinunciare aduna elevata produttività (elevato tasso dideposito). Inoltre, rispetto alle conven-zionali tecnologie basate sull’impiego dicorrente alternata con onda sinusoidale,la tecnologia Power Wave® AC/DC 1000

• Velocità di saldatura: 580 mm/min• Filo: Ø 3.2 mm• Heat Input: 1.5 kJ/mmI saggi realizzati ed i parametri utilizzatisono riportati nella Tabella I.

3. Power Wave® AC/DC 1000a confronto con sistemitradizionali

Grazie alla possibilità di gestire in modoindipendente frequenza, bilanciamentodell’onda (Balance) e compensazione(Offset), la tecnologia Power Wave®

AC/DC 1000 rende possibili i tassi dideposito tipici di un DC- senza gliaspetti negativi di solito legati alla pola-rità DC-, come il soffio magnetico.Consente inoltre il controllo della geo-metria superficiale del cordone limi-tando l’eccessiva convessità del sovra-metallo. Questo aspetto è utile perridurre il rischio di incisioni marginali epossibili “zone d’ombra”, in applica-zioni multipass, con conseguenti rischidi inclusioni di scoria e per ridurre lospessore del rivestimento delle tuba-zioni. L’uso del processo ad arco sommersoin modalità DC+, che con macchineconvenzionali è l’unico a garantire faciliinneschi e stabilità d’arco, comportauna buona profondità di penetrazione,il controllo della quale viene ottenuto

presenta il vantaggio di un arco piùstabile.Il tempo di transizione è una tipica causadi instabilità dell’arco normalmente as-sociata con la modalità AC.Come si può rilevare dalla Figura 2,il tempo di transizione per un’onda sinu-soidale è maggiore di quello dell’ondaquadra di pari valore efficace dicorrente.La riduzione del periodo di transizionesi traduce ovviamente in maggiore stabi-lità dell’arco.

TABELLA I - Saggi realizzati nel programma sperimentale.

Saggio Corrente Controllo Polarità Frequenza[Hz] Bilanciamento Offset

A DC CC + n.a. 0

B DC CC - n.a. 0

C AC CC n.a. 60 50% 0

D AC CC n.a. 60 75% 0

E AC CC n.a. 60 25% 0

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

Figura 2

tempo

+ampere

-ampere

I Ciclo



4. Effetti del bilanciamentodell’onda quadra

Il bilanciamento è espresso come per-centuale di componente DC+. NelleFigure 3 e 4 si rappresentano schemati-camente le due situazioni estreme di bi-lanciamento.La situazione nella Figura 3 rappresentaun bilanciamento 25% ovvero per il 25%del tempo l’arco è positivo, mentre per ilrimanente 75% è negativo. Il casoopposto si verifica per la situazione rap-presentata nella Figura 4.La possibilità di bilanciare la percen-tuale di polarità positiva o negativaincide sul controllo del tasso di depositoe la profondità di penetrazione. Con unapiù alta percentuale di corrente positivasi otterranno infatti profondità di pene-trazione più elevate e minori tassi di de-posito.Le prove sperimentali condotte hannoconsentito di mettere a confronto i risul-tati ottenuti utilizzando le tecnologieconvenzionali DC+ e DC-, con i risultatiottenibili mediante la modulazione del-l’onda quadra.Si riportano nella Tabella II i valori otte-nuti per le grandezze ritenute significa-

tive per la qualità di forma e di profilodel cordone e per la quantità di depositoottenibile.Al diminuire della percentuale di com-ponente positiva, tra i due estremi “con-venzionali” DC+ e DC- si verifica un

aumento del tasso di deposito cui corri-sponde una diminuzione della profon-dità di penetrazione. Tra il provino E edil provino D, ovvero tra i due estremi delbilanciamento, si rileva un aumento deltasso di deposito pari circa al 22%,

Figura 3 Figura 4

Figura 5 - Effetti del bilanciamento sull’onda quadra.

+ampere +ampere

-ampere

tempotempo

-ampere

TABELLA II - Parametri significativi del deposito di saldatura.

Provino

Mod. Bilanciamento Offset FrequenzaVmedia

avanzamentofilo

Velocità diesecuzione

Tasso dideposito

Larghezzacordone

Profondità dipenetrazione

Sovrametallo

A DC+ # 0 60 CC 29.07 58 1.55 15.4 5.4 2.1

E AC 25% 0 60 CC 26.52 58 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

Hz mm/s cm/min g/s mm mm mm

Co

ntro

llo



mentre la profondità di penetrazione èdiminuita del 29% circa.Si rileva inoltre che la geometria delcordone risulta sempre meglio “raccor-data” all’aumentare della componentepositiva.Pur essendo uguale il valore dell’apportotermico calcolato, è importante eviden-ziare che, all’aumentare della percen-tuale di componente negativa, aumentala percentuale di energia termica localiz-zata sul filo, riducendo la quota parte dienergia termica che si distribuisce sulpezzo da saldare con la conseguenza diun minore ingrossamento del grano.La Figura 5 illustra in dettaglio l’in-fluenza del bilanciamento sull’ondaquadra.

5. Effetto della compensazione(Offset)

La variazione dell’Offset, riportata nellaFigura 6, rappresenta la capacità delsistema di aumentare o diminuire la di-mensione della porzione positiva o nega-tiva dell’ampiezza totale della corrente. Il range di variabilità consentito dalsistema è tra +25% e –25% in manieracontinua.

Un valore dell’Offset pari a +25% equi-vale ad un aumento della componentepositiva, con conseguente aumento dellaprofondità di penetrazione a svantaggiodel tasso di deposito.In maniera diametralmente opposta unvalore di –25%, con conseguente abbas-samento della curva a favore di una com-ponente negativa più elevata, consentiràun tasso di deposito più elevato ed unvalore della profondità di penetrazioneinferiore.Si riportano nella Tabella III i risultatidella sperimentazione condotta.Sono stati messi a confronto i risultatiottenuti con i valori estremi dell’Offsetconsentito.Con un Offset pari a +25%, quindi conuna maggiore ampiezza della semiondapositiva (tra +375 e –625°), si è ottenutoun giunto conbuona profonditàdi penetrazione,4.7 mm, ma tassodi deposito infe-riore a quello ot-tenuto con Offset–25%, ovvero condiagramma dicorrente “tras-lato” verso il

basso (tra -375 e +625°).Tra il provino G ed il provino F, ovverotra i due estremi del range dell’Offset, sirileva un aumento del tasso di depositopari a circa il 13%, mentre la profonditàdi penetrazione è diminuita del 21%circa.La Figura 7 illustra i risultati ottenuti.

6. Effetto della frequenza

Rispetto all’alimentazione di rete, 50 o60 Hz, la tecnologia Power Wave®

AC/DC 1000 consente un più ampiorange di variabilità, compreso tra i 10 e i100 Hz. Le prove condotte dai colleghi ameri-cani sembrano mostrare un andamentonon lineare della profondità di penetra-

TABELLA III - Variazioni dell’Offset e risultati ottenuti.

Provino


avanzamentofilo


Tasso dideposito

Larghezzacordone


Sovrametallo

G AC 50% 25 60 CC 27.45 58 1.73 13.6 4.7 2.2

C AC 50% 0 60 CC 29.12 58 1.84 15.4 4.3 2.3

F AC 50% -25 60 CC 31.01 58 1.96 16.3 3.7 2.3


Co

ntro

llo

Figura 6 - Variazioni dell’Offset.

50%

Neg

ativ

o

Tot.

ampe

re

Tot.

ampe

re

50%

Pos

itivo

50% Positivo50% Negativo25% Positivo75% Negativo

+500 ampere

-500 ampere

0

Figura 7 - Variazioni dell’Offset.



zione con la frequenza, con la tendenzaa una diminuzione della penetrazionealle frequenze più alte.Le prove da noi condotte confermanoquesto andamento e anche la necessitàdi approfondire l’influenza della fre-quenza con una campagna di prove piùestesa.La Tabella IV e la Figura 8 illustrano siai parametri sperimentali che il risultatodel cambio di frequenza.

7. Comunicazione software

Uno dei vantaggi rappresentati dall’im-piego della tecnologia Power Wave®

AC/DC 1000 è costituito dalla possibi-lità di interfacciarsi via software con lamacchina in modo semplice, diretta-mente tramite un normale PC (Fig. 9). I software disponibili consentono la vi-sualizzazione su grafico dinamico dicorrente, tensione e velocità filo, come

illustrato nella Figura 10.I valori rilevati possono essere salvati sufile di testo per una visualizzazionefutura. Il sistema consente il controllo remoto inalternativa all’utilizzo della cassetta con-trollo, sia per arco singolo che persistemi multiarco, pur mantenendo faci-lità di utilizzo sia per gli operatori cheper i controllori.Sono inoltre disponibili programmi didiagnostica con i quali:• è possibile eseguire la calibrazione

degli strumenti del generatore inmodo facile e preciso;

• è possibile verificare periodicamentel’integrità ed il deterioramento deicavi di potenza misurandone la resi-stenza ed il valore di induttanza ri-spetto al valore registrato all’avvia-mento dell’impianto.

8. Conclusioni

Le prove condotte confermano le enormipotenzialità di miglioramento della pro-duttività e di controllo della geometriadel cordone ottenibili con l’impiego delPower Wave® AC/DC 1000 nell’esecu-zione di giunti saldati in arco sommersograzie alla possibilità di controllare inmodo indipendente:• la caratteristica dell’arco (CC / CV);• la modalità di esecuzione, se in DC o

Figura 10 - Andamento dei parametri elettrici di processo.

Figura 8 - Risultati ottenuti con la variazione di frequenza.

tempo

+500 ampere

-500 ampere

0

Figura 9 - Gestione informatica dellamacchina tramite PC.

Indicatorearco

Controllo filoa freddo

Statomacchina

Valori di lavoroCorrente/WFS



in CA sinusoidale o CA a ondaquadra;

• le frequenze in un range di variabilitàda 10 Hz a 100 Hz;

• il bilanciamento dell’onda;• la compensazione (Offset).Queste potenzialità sono state verificatecon successo in diversi comparti indu-striali, con l’utilizzo in produzione diquesta tecnologia per la saldatura di reci-pienti in pressione su un’ampia gammadi materiali e spessori, per la saldatura distrutture e carpenteria pesante, per la sal-datura di tubazioni per il trasporto di gase tubazioni per applicazioni strutturali.

TABELLA IV - Variazioni della frequenza e risultati ottenuti.

Provino


avanzamentofilo


Tasso dideposito

Larghezzacordone


Sovrametallo

H AC 50% 0 20 CC 29.78 58 1.88 14.4 4.5 1.9

I AC 50% 0 40 CC 27.42 58 1.73 16.5 4.2 2.2

C AC 50% 0 60 CC 29.12 58 1.84 15.4 4.3 2.3

L AC 50% 0 80 CC 28.87 58 1.82 15.5 4.4 2.1

M AC 50% 0 100 CC 27.22 58 1.72 15.6 4.3 2.4


Co

ntro

lloGiovanni PEDRAZZO, laureato in Ingegneria Meccanica, è il DirettoreCommerciale Lincoln Electric Italia per il Sud-Est Europa. Dal 1976 inAnsaldo Energia (Genova) alla progettazione turbine a vapore, quindi dal1981 in ARMCO (Genova), in qualità di Responsabile consumabili, robotica,taglio automatico e procedimenti di saldatura. Dal 1985 in Lincoln comeResponsabile della filiale italiana. Ha ottenuto la certificazione “EuropeanWelding Engineer”.

Carmela Andrea BARONE, ha conseguito nel 2003 la laurea in IngegneriaMeccanica presso il Politecnico di Bari. Dal 2003 al 2007 ha lavoratonell’ambito della manutenzione e costruzione di impianti industriali presso laSocietà Cestaro Rossi S.p.A. di Bari. Dal 2007 riveste il duplice ruolo di WeldTech Manager e Consumables Manager presso la Lincoln Electric Italia S.r.l..

Gianluca RUTILI, laureato in Ingegneria Meccanica presso l’Università diGenova. Funzionario dell’Istituto Italiano della Saldatura dal 2001,attualmente è in forza all’Area Ricerca Processi Speciali Saldatura. Si occupadi ispezione, assistenza e sviluppo dei processi di saldatura manuali edautomatizzati e svolge attività di ricerca sulla saldatura di materiali avanzatie sui procedimenti di saldatura innovativi con particolare indirizzo sui sistemia filo continuo, ad arco sommerso, laser, saldatura/taglio plasma e frictionstir welding.

EN 287-1 Qualification test of welders - Fusion welding - Part 1: Steels EN 1418 Welding personnel - Approval testing of welding operators for fusion welding and resistance weld

setter for fully mechanized and automatic welding of metallic materials EN ISO 9606- 2 Qualification test of welders - Fusion welding - Part 2: Aluminium and aluminium alloys EN ISO 9606-3 Approval testing of welders - Fusion welding - Part 3 - Copper and copper alloys EN ISO 9606-4 Approval testing of welders - Fusion welding - Part 4 - Nickel and nickel alloys EN ISO 9606-5 Approval testing of welders - fusion welding - titanium and titanium alloys, zirconium and zirconium

alloys EN 13133 Brazing - Brazer approval EN ISO 15618- 1 Approval testing of welders for underwater welding - Part 1: Diver-welders for hyperbaric wet

welding EN ISO 15618- 2 Approval testing of welders for underwater welding - Part 2: Diver-welders and welding operators for

hyperbaric dry welding

Norme per la qualificazione dei saldatori, degli operatori di saldatura e dei brasatori

elaborate dal CEN /TC121 “Welding”

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