Czyszczenie stali nierdzewnej bez rozczarowań: Jak uniknąć błędów przy wyborze technologii?
Z biegiem lat technologia obróbki pospawalniczej ewoluowała, gwarantując bardzo szybkie czyszczenie (lub polerowanie) spoiny oraz dobrą odbudowę warstwy pasywnej stali nierdzewnej. Na rynku dostępnych jest wiele modeli i technologii obiecujących doskonałe rezultaty. Pomysł posiadania urządzenia do czyszczenia spoin o przesadnie dużej mocy może wydawać się właściwym wyborem, ale za jaką cenę? Bardzo często wybiera się urządzenia, które w realiach danej firmy nie osiągają celu polegającego na minimalizacji kosztów i maksymalizacji zakresu zastosowań. W innych przypadkach głównym celem jest przede wszystkim zminimalizowanie ryzyka wynikającego z użycia systemu wykorzystującego substancje niebezpieczne, który musi być obsługiwany ze wszelkimi możliwymi środkami ostrożności. W dziedzinie wytrawiania elektrochemicznego łatwo o rozczarowanie, gdy oczekiwania są wysokie, a maszyna nie jest w stanie im sprostać. Oczekiwania te wiążą się przede wszystkim z wyborem parametrów technicznych maszyn oraz ewentualnymi korzyściami, jakie oferuje dane urządzenie.
7 parametrów, które warto wziąć pod uwagę kupując urządzenie do czyszczenia stali nierdzewnej.
Wśród różnych parametrów nie wymieniliśmy jakości spoiny. Parametr ten pozostaje stały, ponieważ uważamy za stosowne założyć, że spoiny są wolne od wad i że proces spawania nie generuje:
- odprysków;
- związków niemetalicznych (krzemiany, siarczki itp.);
- faz międzymetalicznych (węgliki chromu itp.);
- pęknięć i złamań;
- niezgodnego z normą kształtu złącza (efekt „kleju”).
Obietnica szybkiego i łatwego czyszczenia spoiny jest zawsze powiązana z jakością spoiny. Dobrze wykonana spoina, warunkuje sprawne przeprowadzenie procesu wytrawiania. Oczekiwania powinny zatem opierać się na fakcie, że elektrowytrawianie usuwa pozostałości metaliczne, które skutecznie reagują z roztworem elektrolitycznym przyspieszonym siłą elektromotoryczną, a nie służy do rozwiązywania ewentualnych wad spawalniczych. Wady w spoinach należy wyeliminować poprzez prawidłowe ustawienie wszystkich parametrów procesu spawania. Nie ma drogi na skróty, która pozwoliłaby podnieść jakość gotowego produktu na wyższy poziom i pokonać konkurencję.
Moc elektryczna i technologia elektroniczna urządzeń do czyszczenia stali
Większość maszyn do czyszczenia spoin dzieli się na dwie kategorie, wykonane w technologi:
- inwertorowej lub
- transformatorowej.
Jaka jest różnica pomiędzy ww. technologiami?
Inwerter (falownik) jest przekształtnikiem energii elektrycznej. Przekształca odbierane na wejściu napięcie zasilania (jeśli jest przemienne) na napięcie stałe (ewentualnie podnosząc lub obniżając jego wartość, tak jak robi to transformator, choć na zupełnie innej zasadzie), a następnie odtwarza w sposób całkowicie elektroniczny napięcie wyjściowe, które może być stałe lub zmienne, przemienne (okresowe lub nieokresowe) bądź stałe.
Transformator to urządzenie elektryczne, która poprzez podwójną konwersję energii – z elektrycznej na magnetyczną i z powrotem z magnetycznej na elektryczną – zmienia napięcie i prąd wejściowy na inne napięcie i prąd wyjściowy. W zależności od technologii wykonania jego maksymalna sprawność elektryczna wynosi od 55-60% do 85-90%. Transformatory o wyższej sprawności budowane są z użyciem zaawansowanych technologii i szlachetnych materiałów, przez co osiągają dość wysokie ceny.
Którą technologie wybrać?
Sprawność inwertera jest zazwyczaj wyższa niż transformatora, nie zależy od masy urządzenia i w mniejszym stopniu zależy od kosztu komponentów. Zależy natomiast od rodzaju układu (istnieje wiele rozwiązań układowych pozwalających uzyskać pożądaną konwersję) oraz od jakości i ilości użytych komponentów. Oczywiście złożone układy i duża liczba użytych elementów mogą narażać inwerter na częstszą występowalność awarii, a wskaźniki niezawodności typowe dla prostych urządzeń elektromechanicznych, takich jak transformatory, są osiągalne w elektronice inwertorowej tylko przy użyciu pojedynczych komponentów o bardzo wysokiej niezawodności (co wpływa na koszt urządzenia).
Przy tej samej mocy konwertowalnej inwerter w porównaniu z transformatorem może ważyć o połowę mniej niż połowa masy transformatora, łącząc lekkość z uniwersalnością zastosowania (transformator pracuje przy stałych napięciach wejściowych i wyjściowych, natomiast inwerter można zbudować tak, aby dostosowywał się do szerokiego zakresu napięć wejściowych i dostarczał praktycznie dowolne napięcia wyjściowe).
Transformatory składają się głównie z miedzi i żelaza (lub alternatywnie do żelaza – z materiałów ferromagnetycznych o wyższej sprawności energetycznej), dlatego są z natury ciężkie. Im więcej energii elektrycznej muszą przesłać z wejścia na wyjście, tym więcej materiału należy użyć do ich konstrukcji, co znacznie zwiększa masę urządzeń, w których są zintegrowane.
Transformatory są zazwyczaj stosowane w aplikacjach, w których napięcie zasilania nie podlega wahaniom (ani na wejściu, ani na wyjściu), chociaż mogą być używane jako pierwszy stopień konwersji energii w bardziej złożonych systemach (mieszanych elektromagnetyczno-elektronicznych). Niemniej jednak w zakresie mocy od kilkuset watów do kilku kilowatów transformatory pozostają najtańszym przekształtnikiem energii, jaki można wybrać w instalacji elektrycznej.
Transformator nie ma możliwości dostosowywania parametrów elektrycznych. Skutkuje to znacznymi stratami energii.
Brak modulacji parametrów elektrycznych wiąże się z dostarczaniem maksymalnej mocy, co może prowadzić do powstawania wżerów (pittingu) w momencie, gdy włókno węglowe nie jest całkowicie zwilżone cieczą elektrolityczną, powodując ciągłe iskrzenie i mikroskopijne uszkodzenia powierzchniowe. Niestety wada ta jest widoczna pod mikroskopem optycznym, w związku z czym operator dostrzega uszkodzenie dopiero wtedy, gdy stal nierdzwewna zostanie już zamontowana i pojawią się pierwsze oznaki korozji (ogólnej lub wżerowej).
Transformator, jak wszystkie przewodniki, musi zmagać się z efektem Joule’a. Efekt ten zależy od rezystancji i kwadratu natężenia prądu. Aby zminimalizować ten efekt, należy zmniejszyć rezystancję lub natężenie prądu. Aby zredukować rezystancję, trzeba zwiększyć przekrój przewodników, jednak istnieje ekonomiczna i technologiczna granica w wymiarowaniu linii elektrycznych, związana również ze zjawiskiem spadku napięcia na tych liniach. Aby zatem zmniejszyć natężenie prądu, wykonuje się transformację poprzez zwiększenie napięcia przy zachowaniu tej samej mocy. Obniżenie natężenia prądu grozi jednak spowolnieniem procesu wytrawiania w porównaniu z technologią inwertorową, która utrzymuje stały prąd, a moduluje napięcie.
Zalety inwertora
Wyższa sprawność energetyczna – zazwyczaj osiąga wyższą sprawność niż transformator, co przekłada się na mniejsze straty energii.
Znacznie niższa masa – przy tej samej mocy waży ponad połowę mniej niż transformator, co ułatwia przenoszenie i montaż urządzenia.
Wszechstronność i elastyczność (regulacja parametrów) – potrafi dostosować się do szerokiego zakresu napięć wejściowych oraz dostarczać dowolne napięcia wyjściowe.
Modulacja parametrów elektrycznych – dzięki możliwości modulacji napięcia przy zachowaniu stałego prądu chroni czyszczoną powierzchnię przed iskrzeniem, wżerami (pittingiem) i mikrouszkodzeniami.
Szybszy proces wytrawiania – utrzymywanie stałego natężenia prądu zapobiega spowolnieniu procesu obróbki.
Zalety transformatora
Wysoka niezawodność i niska awaryjność – prosta konstrukcja elektromechaniczna sprawia, że jest mniej podatny na usterki w porównaniu ze złożonymi układami elektronicznymi.
Niski koszt w określonym przedziale mocy – w zakresie od kilkuset watów do kilku kilowatów pozostaje najtańszym dostępnym przekształtnikiem energii.
Stabilność w przewidywalnych warunkach – doskonale sprawdza się w aplikacjach o stałym napięciu zasilania, gdzie parametry wejściowe i wyjściowe nie ulegają wahaniom.
Rodzaje stosowanych podczas czyszczenia stali elektrolitów
Rola elektrolitu, pH i ochrona warstwy pasywnej
Elektrolity są niezwykle ważne w procesie wytrawiania, ponieważ przyczyniają się do usuwania pozostałości po spawaniu, tworząc wymianę jonową między anodą a katodą. Reakcja jest katalizowana przez prąd elektryczny. Prąd przemienny pozwala zatem przyspieszyć ruch jonów wodoru z roztworu w stronę powierzchni metalu oraz rozpuszczanie pozostałości pospawalniczych. Ilość jonów wodoru jest określona przez pH roztworu. Im bardziej kwaśny jest roztwór, tym wyższe jest stężenie jonów, co sprzyja odrywaniu zanieczyszczeń. Może to być czynnik korzystny, jednak jeśli roztwór zawiera zbyt agresywne kwasy, może to doprowadzić do uszkodzenia wykończenia powierzchni metalu bazowego, zmieniając efekt estetyczny i strukturę powierzchni.
Roztwory zawierające silne kwasy mogą zbyt mocno atakować powierzchnię, doprowadzając na przykład do pozostawienia kwaśnych wtrąceń, które – jeśli nie zostaną prawidłowo zneutralizowane – mogą prowadzić do zjawisk korozji.
Bardzo ważnym aspektem jest odbudowa warstwy pasywnej. Jeśli roztwór elektrolityczny pozostanie na powierzchni lub zbyt mocno ją zaatakuje, stal nierdzewna, która może znajdować się w części zakładu narażonej na pył żelaza lub inne zanieczyszczenia, nie będzie miała możliwości utworzenia warstwy ochronnej, która czyni ją tak cenioną przez wielu producentów.
Przewodność elektryczna, stężenie kwasu i optymalizacja procesu
Kolejnym istotnym czynnikiem jest przewodność roztworów elektrolitycznych. Przy tym samym pH roztwór elektrolityczny o wyższej przewodności ma możliwość znacznie szybszego oczyszczenia powierzchni stali nierdzewnej. Przewodność jest ściśle powiązana z ilością kwasu obecnego w roztworze. Wraz ze wzrostem stężenia kwasu w roztworze rośnie jego przewodność elektryczna aż do wartości maksymalnej, po przekroczeniu której przewodność gwałtownie spada. Wykorzystując te dwa parametry, można uzyskać roztwór elektrolityczny o odpowiedniej ilości jonów wodoru (pH), jednocześnie maksymalizując jego przewodność elektryczną.
Zmienność pH i przewodności elektrycznej pozwala nam różnicować produkty elektrolityczne w zależności od zastosowania i stopnia stwarzanego zagrożenia:
- Stężenie kwasu powyżej 50%:
Zastosowania do czyszczenia/polerowania wymagających spoin, takich jak spoiny wykonane elektrodą otuloną oraz MIG/MAG; - Stężenie kwasu do 25%:
Zastosowania do czyszczenia spoin TIG; - Stężenie kwasu 0%:
Zastosowania w przemyśle farmaceutycznym, jądrowym, spożywczym lub w sytuacjach, gdy firma wybiera podejście ekologiczne i bezpieczne.
Przy tej samej mocy generowanej przez źródło zasilania i tym samym rodzaju spoiny, zmniejszenie ilości kwasu w roztworze elektrolitycznym powoduje spadek szybkości wytrawiania. Wyciągając takie wnioski, można by pomyśleć o stosowaniu bardzo wysokiego stężenia kwasu w celu optymalizacji procesu wytrawiania nawet na mniej wymagających spoinach, takich jak TIG. Jednak gdyby operator zarządzał procesem wytrawiania tak, aby zwiększyć moc elektryczną i zmniejszyć ilość kwasu, przy zachowaniu tej samej prędkości wytrawiania, uzyskałby następujące korzyści:
- zachowanie niezmienionego wykończenia powierzchni stali nierdzewnej;
- brak zacieków i smug;
- zwiększenie bezpieczeństwa procesu wytrawiania.
Urządzenia zabezpieczające i technologie optymalizacji procesu wytrawiania
Urządzenia do czyszczenia stali nierdzewnej to maszyny które doprowadzają prąd elektryczny oraz roztwór elektrolityczny w celu oczyszczenia spoin. Te dwa czynniki, jeśli są nieprawidłowo zarządzane, mogą wyrządzić krzywdę operatorowi i spowolnić proces produkcyjny.
Na rynku niektóre maszyny do wytrawiania są wyposażone w system „dip&work” (zanurz i pracuj). System ten przewiduje małą wanienkę napełnioną żrącym kwasem, w której zamacza się końcówkę roboczą, aby następnie przejść do czyszczenia spoiny. Metoda ta, ma swoje wady, takie jak:
- ciągłe przerwy w pracy;
- kropelki roztworu elektrolitycznego w niepożądanych miejscach;
- zanieczyszczenie pozostałościami po spawaniu.
Reakcja elektrochemiczna jest szybka i natychmiastowa. Lokalnie, pomiędzy spoiną a końcową częścią elementu roboczego (którym zazwyczaj jest pędzel z włókna węglowego), generowane są wysokie temperatury i reakcje chemiczne, które szybko zużywają elektrolit. Operator nie jest w stanie określić dokładnego momentu na ponowne zamoczenie pędzla, co powoduje powstawanie oparów i niepożądane zużycie końcówki.
Może się zdarzyć, że kwas nasączający pędzel wycieknie z niego przed przystąpieniem do czyszczenia, nieodwracalnie brudząc elementy niebiorące udziału w procesie wytrawiania. Prowadzi to do uszkodzeń w sytuacji, gdy operator podczas procesu nie zneutralizuje kwasu z powierzchni. Podczas wytrawiania pędzel nasącza się nie tylko kwasem, ale także usuwanymi z czasem pozostałościami po spawaniu. W przypadku tej metody zanieczyszczenia te są rozpraszane wewnątrz pojemnika w momencie, gdy operator ponownie zanurza w nim pędzel.
Resztki te, zanieczyszczając elektrolit, obniżają wydajność czyszczenia spoiny i mogą tworzyć punkty korozji, ponieważ ponownie wprowadzają na spoinę niepożądane elementy.
Wszystkie te wady uderzają w działalność produkcyjną, powodując spowolnienia z powodu:
- drobnych przerw w pracy;
- neutralizacji lub uszkodzeń powierzchni niebiorących udziału w procesie;
- wydłużenia czasu wytrawiania z powodu zanieczyszczenia roztworu elektrochemicznego pozostałościami.
Automatyczny uchwyt z nadmuchem/odciągiem – Nitty Gritty
Firma Nitty-Gritty opracowała dwa opatentowane uchwyty (pistolety czyszczące), charakteryzujące się możliwością pobierania płynu ze zbiornika (o pojemności 100 ml lub 2 litrów, w zależności od modelu) za pomocą automatycznego lub ręcznego systemu pompującego.
Dzięki temu skokowi technologicznemu:
- płyn bezpośrednio zwilża podkładkę/pędzel i działa bezpośrednio na spoinę;
- nie pozostawia osadów na innych powierzchniach;
- żaden płyn nie wchodzi w kontakt z operatorem;
- nie ma przerw w pracy;
- płyn elektrochemiczny wewnątrz zbiornika nie ulega zanieczyszczeniu;
- możliwa jest praca również w miejscach trudnych do czyszczenia.
Często bezpieczeństwo operatora jest marginalnym aspektem w firmie. W tym procesie musi być ono priorytetem, ponieważ ryzyko obrażeń jest zawsze realne. Gorąco dyskutowanym tematem jest kwestia powstawania oparów/gazów podczas procesu wytrawiania. Najbardziej niebezpieczne roztwory elektrolityczne są żrące i mają wysoką zawartość kwasu fosforowego. W takim przypadku limit ekspozycji wynosi 1 mg/m³ (TWA, 8h).
Producenci korzystający z systemu „dip&work” znajdują się niemal na granicy tego limitu (ok. 0,8 mg/m³). Wiąże się to z potencjalną koniecznością stosowania masek ochronnych i rękawic kwasoodpornych.
Z tej perspektywy firma Nitty Gritty opracowała dwa systemy, które mogą radykalnie zredukować powstawanie gazów korozyjnych:
- system odciągu (aspiracji) oparów;
- system nadmuchu oparów.
W ten sposób gorące i żrące opary są natychmiast odprowadzane do wnętrza maszyny za pomocą silnika ssącego, specjalnie zaprojektowanego do oparów kwasowych, lub skraplane strumieniem zimnego powietrza o odpowiednim ciśnieniu pochodzącym z kompresora podłączonego do urządzenia.
Dzięki tym rozwiązaniom technologicznym limit ekspozycji spada do wartości około 0,04 mg/m³
Rodzaj spoiny i jej wymiary
Kluczowym i niezastąpionym punktem czyszczenia elektrochemicznego jest jakość złącza spawanego, co wielokrotnie podkreślano w różnych artykułach na tym blogu. Oprócz tego niezwykle ważnego parametru istnieją dwa inne czynniki, które mogą zmienić perspektywę udanego zakupu urządzenia do wytrawiania. Jednym z nich jest rodzaj spoiny:
- wykonanie elementu ze spoinami MIG ma inny wpływ na czas elektrochemicznego wytrawiania niż ze spoinami TIG.
- spawanie MIG generuje większą ilość zanieczyszczeń i odprysków niż TIG.
Z tych powodów, przy tym samym czasie pracy, można wybrać maszynę o mocy równej lub większej niż 900 W, stosując kwas o bardzo wysokim stężeniu (ok. 75%).
Dzięki temu rozwiązaniu wielu naszych klientów jest usatysfakcjonowanych stosunkiem jakości do ceny. Analogicznie, spoina TIG będzie wymagała mniejszej mocy wytrawiania i będzie można zastosować rozwiązania o bardzo niskim stężeniu kwasu (ok. 20–25%) aż do 0% stężenia kwasu (pH neutralne). W przypadku spoin TIG, przy tej samej mocy i jakości spoiny, czyszczenie elektrochemiczne odbywa się w tym samym czasie, niezależnie od tego, czy wybierzemy roztwór słabo kwaśny, czy o neutralnym pH.
Kolejnym ważnym parametrem jest długość ściegów spoiny. Mówiąc prościej: ile metrów spoiny należy oczyścić w cyklu produkcyjnym? Jeśli długość spoin oscyluje wokół 200–300 metrów, warto zastosować systemy takie jak Clinox Pro, Clinox Power czy Clinox Surface, które pozwalają na ciągły i automatyczny proces czyszczenia elektrochemicznego, wykorzystując bardzo wysoką moc wytrawiania.
W ten sposób eliminuje się czasy przestoju i ciągłe przerwy właściwe dla prostego systemu „dip&work”, wraz ze wszystkimi problemami powiązanymi z tą technologią, o których mowa była wcześniej. Jeśli natomiast długość spoin jest mniejsza niż 200 metrów i są to spoiny TIG, dedykowaną maszyną jest Clinox Eco. Dzięki swojej mocy (450 W) i opatentowanemu uchwytowi pozwala ona na nienaganne oczyszczenie wszystkich spoin składających się na mały element. W przeciwieństwie do samej spoiny, grubość stali nie jest parametrem kluczowym, ponieważ czyszczenie elektrochemiczne obejmuje tylko powierzchnię i nie wymaga dużej mocy do działania w głąb materiału.
Koszt zakupu, a realne koszty eksploatacji
Analizując aspekt finansowy, warto pamiętać, że niska cena początkowa urządzenia bardzo często jest złudną oszczędnością. Całkowity koszt posiadania czyszczarki elektrochemicznej składa się nie tylko z zakupu samej maszyny, ale przede wszystkim z późniejszych kosztów eksploatacji – zużycia chemii, materiałów eksploatacyjnych (pędzli, materiałów chłonnych) oraz czasu pracy operatora. Nowocześniejsze urządzenia inwertorowe, mimo wyższej ceny początkowej w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań transformatorowych, pozwalają na znaczną redukcję zużycia droższych elektrolitów oraz szybszy czas obróbki. Ponadto precyzyjna regulacja parametrów chroni materiał przed powierzchniowym uszkodzeniem (wżerami), zapobiegając kosztownym poprawkom czy reklamacjom ze strony klientów. Wybór odpowiedniego urządzenia powinien być więc podyktowany chłodną kalkulacją skali produkcji: dla firm wykonujących czyszczenie sporadycznie ekonomiczną alternatywą może być wynajem sprzętu, natomiast przy stałej produkcji inwestycja w wydajne, inwertorowe źródło zwraca się w postaci niższych kosztów jednostkowych wytrawiania i wyższego bezpieczeństwa pracy.
Zapraszamy do przeczytania artykułu:
Nowoczesne urządzenia do czyszczenia spoin – przegląd oferty Nitty-Gritty.
W którym prezentujemy wszystkie oferowane przez nas urządzenia do czyszczenia spoin.
Potrzebujesz pomocy w doborze urządzenia firmy Nitty-Gritty?
Zapraszamy do kontaktu.
Napisz: szymon@weld.guru lub zadzwoń: +48 503 706 533.
