AVT-970_cz1.pdf

Przystawka do spawania aluminium metodą TIG

P R O J E K T Y

Przystawka do spawania

aluminium metodą TIG,

część 1

W moim poprzednim artykule

(EP12/03) opisałem budowę

spawarki TIG DC, którą można

spawać wiele metali z wyjątkiem

aluminium. Urządzenie do

spawania aluminium metodą

TIG AC (prąd przemienny) jest

bardziej złożone w budowie niż

urządzenie TIG DC (prąd stały)

i proces spawania aluminium

jest na tyle specyﬁczny, że

metal ten w trakcie spawania

nie zmienia swojej barwy,

a także wymagane jest usuwanie

z powierzchni spawanej tlenków

aluminium.

Rekomendacje:

przedstawiamy opis budowy

przystawki TIG AC/DC, aby

chętni posiadający nawet

skromne możliwości ﬁnansowe

jak i techniczne, mogli wejść

w posiadanie takiego urządzenia.

Duże zapotrzebowanie na spa-

warki, zarówno do produkcji jak

i do regeneracji wyrobów alumi-

niowych skłoniło producentów do

poszukiwania rozwiązań konstruk-

cyjnych spawarek tak, aby zaspo-

koić oczekiwania odbiorców. Nieste-

ty, w dalszym ciągu urządzenia do

spawania metodą TIG AC będące

w handlu są drogie.

Aluminium to materiał zaliczany

do grupy metali półszlachetnych,

o temperaturze topnienia ok. 660°C,

posiada bardzo dobrą przewodność

cieplną i elektryczną i po oczysz-

czeniu pokrywa się natychmiast

w reakcji z tlenem zawartym w po-

wietrzu, cienką warstwą tlenków

aluminium (AlO). Warstwa tlenków

aluminium skutecznie chroni alu-

minium przed dalszym utlenianiem.

Temperatura topnienia tlenku alumi-

nium wynosi ok. 2500°C.

Ze względu na konieczność usu-

nięcia tlenków aluminium w trakcie

spawania, spawarki TIG AC mają

dość złożoną budowę. Podejmowa-

ne próby usuwania tlenków alumi-

nium podczas spawania przy uży-

ciu głowic ultradźwiękowych czy

też zmiennego pola magnetycznego

skończyło się wyłącznie na ekspe-

rymentach laboratoryjnych. Opty-

malnym rozwiązaniem do spawania

aluminium okazało się zastosowanie

prądu przemiennego i podobnie jak

w metodzie TIG DC, spawarki te

mają silnie opadającą statyczną cha-

rakterystykę zewnętrzną. Do spawa-

nia aluminium metodą TIG zastoso-

wano transformator spawalniczy do

spawania elektrodami otulonymi.

Praktycznie w całej Polsce jest

już w sieci energetycznej napięcie

zgodne z wymogami Unii Europej-

skiej (odpowiednio 230 V dla jednej

fazy i 400 V dla napięcia między-

fazowego), jednakże w opisie będę

posługiwał się „poprzednimi” napię-

ciami (odpowiednio 220 i 380 V).

Podniesienie napięcia w sieci ener-

getycznej o ok. 5% nie ma znacze-

nia dla tej konstrukcji.

Na rys. 1 przedstawiono uprosz-

czony schemat elektryczny spawarki

TIG AC. Transformator spawalniczy

TS jest zasilany z sieci 380 V, a re-

gulacja prądu spawania odbywa się

za pomocą mechanicznie przemiesz-

czanego bocznika magnetycznego.

PODSTAWOWE PARAMETRY

• max. prąd spawania AC - 400 A

• max. prąd spawania DC - 400 A

• napięcie biegu jałowego transformatora

spawalniczego - 70 V

• napięcie biegu jałowego prostownika spa-

walniczego – 70 V

• gaz ochronny - argon, czystość 99,999%,

handlowy symbol czystości: „5,0”przy

spawaniu aluminium, a 99,996% przy

spawaniu prądem stałym: „4,6”

• ciśnienie cieczy chłodzącej – 0,2 MPa

• opóźnienie wypływu gazu – 6 do 15 sek.

• eleminacja składowej stałej prądu spawania

– ręcznie (potencjometrem).

Wartość maksymalna prądu spawania zależy

od prądu przewodzenia tyrystorów mocy,

przekrojów instalacji „wysokoprądowej”

w przystawce oraz od zastosowanego palnika

T IG.

Rys. 1. Schemat blokowy spawarki TIG AC

Elektronika Praktyczna 10/2006

Przystawka do spawania aluminium metodą TIG

Rys. 2. Przebieg prądu dla typowych

odbiorników energii

TrWN. Na czas spawania załączony

jest również opornik R. Warystor

W chroni tyrystory przed przepięcia-

mi z obwodu transformatora wyso-

kiego napięcia. W trakcie spawania

aluminium elektrodą wolframową

prądem przemiennym powstaje szko-

dliwe zjawisko tzw. składowej stałej

prądu spawania (SS), które koniecz-

nie należy wyeliminować. Zjawisko

składowej stałej prądu spawania ma

swoje źródło w niesymetrycznym

rozkładzie mocy w czasie pełnego

okresu (T) sieci zasilającej.

Na rys. 2 przedstawiono syme-

tryczny rozkład prądu w pełnym

okresie T, dla takich odbiorników

jak żarówka czy też transformator

itp. W tym przypadku suma alge-

braiczna prądów I max i (-I max ) jest

równa zero.

Na rys. 3 przedstawiono przebieg

asymetryczny, jakim jest łuk spa-

walniczy TIG AC. Okazuje się, że

suma algebraiczna prądu I max i (-I max )

jest różna od zera. Ta różnica (∆I)

powoduje pojawienie się składowej

stałej prądu spawania, co skutkuje

podmagnesowaniem rdzenia transfor-

matora spawalniczego. Wówczas łuk

spawalniczy jest niestabilny. Przy-

czyna powstawania składowej stałej

prądu spawania bierze się stąd, że

jeśli chwilowo na elektrodzie wol-

framowej występuje biegun ujemny,

to 30% ciepła wydziela się na elek-

trodzie, a 70% ciepła na materia-

le spawanym. Natomiast, w sytuacji

odwrotnej, gdy biegun dodatni jest

na elektrodzie, to 70% ciepła wystę-

puje na elektrodzie, a 30 % na ma-

teriale spawanym. W tym przypadku

występuje bardzo pożądane zjawisko

tzw. rozpylenia katodowego (usu-

wania z obszaru spawania) tlenków

aluminium. W takiej konﬁguracji bie-

gunowości tworzy się na powierzch-

ni spawanego materiału w obszarze

łuku spawalniczego ścieżka wolna

od tlenków aluminium, szerokość

której zależy od natężenia prądu

spawania. Zjawisko to praktycznie

umożliwia spawanie aluminium. Ar-

gon, obojętny gaz osłonowy, chroni

obszar nadtopionego metalu przed

utlenieniem. Upraszczając, można

przedstawić proces spawania alumi-

nium prądem przemiennym w ten

sposób, że w ciągu jednej sekundy

(przy częstotliwości 50 Hz) występu-

je na przemian 50 razy proces spa-

wania aluminium i 50 razy zjawisko

rozpylania (usuwania) tlenków alu-

minium. Likwidację składowej stałej

prądu spawania uzyskuje się po-

przez wprowadzenie w szereg w ob-

wód spawania baterii kondensatorów

elektrolitycznych o dużej pojemności

Rys. 3. Przebieg prądu w łuku spa-

walniczym

Po stronie wtórnej transformatora

spawalniczego TS, w szereg z ob-

wodem spawania włączony jest ze-

spół dwóch tyrystorów dużej mocy

(Ty1 i Ty2) oraz uzwojenie wtórne

transformatora wysokiego napięcia

Rys. 4. Schemat blokowy urządzenia opisanego w artykule

Elektronika Praktyczna 10/2006

Przystawka do spawania aluminium metodą TIG

(rzędu 100000 µF), albo jak w tym

opracowaniu, zespół dwóch tyrysto-

rów dużej mocy połączonych w ukła-

dzie odwrotnie – równoległym. Tyry-

stor Ty1 (rys. 1) przewodzi dodatni

półokres sieci zasilającej i w czasie

pracy jest w pełni wysterowany, na-

tomiast tyrystor Ty2 przewodzi ujem-

ny półokres sieci zasilającej i jest

załączany z opóźnieniem stosownie

do wskazań miliamperomierza prą-

du stałego (z zerem po środku skali)

włączonego w obwód spawania po-

przez bocznik pomiarowy B. W cza-

sie pracy załączony zostaje również

opornik R, którego zadaniem jest

zapewnienie przepływu prądu spa-

wania w chwili, gdy nie jest jesz-

cze załączony tyrystor Ty2. Zaletą

zastosowania stycznika tyrystorowe-

go jest to, że spełnia on dodatkowo

rolę łącznika prądu spawania. O ile

stosowanie generatora wysokiego

napięcia do inicjacji łuku spawal-

niczego w spawarkach TIG DC nie

jest konieczne, o tyle w spawarkach

TIG AC jest niezbędne. W ciągu

1-go okresu sieci zasilającej (T), łuk

elektryczny nie tylko, że gaśnie, ale

zmienia swoją biegunowość. Jako, że

przy spawaniu aluminium nie moż-

na zwierać elektrody do materiału

spawanego (elektroda wolframowa

ulega wówczas zanieczyszczeniu, tj.

„oblepieniu” płynnym aluminium)

należy zapewnić skuteczny, bezdoty-

kowy sposób inicjacji i podtrzymania

łuku spawalniczego. W tym przypad-

ku nie wystarczy układ wysokie-

go napięcia generujący impulsy np.

o częstotliwości 50 Hz. Generator

wysokiego napięcia pracuje w sposób

ciągły w czasie spawania i podczas

licznych eksperymentów, stwierdzi-

łem, że częstotliwość pracy tego

generatora nie może być mniejsza

niż 500 Hz. Najbardziej krytycznym

momentem w zapewnieniu stabilno-

ści łuku spawalniczego jest chwila

przejścia przez zero sieci zasilają-

cej i zmiana biegunowości. Dziesię-

ciokrotnie większa liczba impulsów

wysokiego napięcia w stosunku do

częstotliwości sieci zasilającej daje

gwarancję stabilnego jarzenia łuku

spawalniczego.

Na rozwiązanie przedstawione w artykule

autor uzyskał patent Urzędu Patentowego

Rzeczpospolitej Polskiej (numer 156053).

W artykule przedstawiam opis wy-

konania przystawki do spawania TIG

AC, w której źródłem prądu spawania

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R: patrz opis

R1, R2, R5, R10, R11, R16, R17,

R25...R27, R39...R43: 4,3 k V

R3, R22, R34, R35: 20k V

R4: 200 k V

R6: 4 k V

R7: 25 k V

R8, R9, R23, R24: 1,5 k V

R12: 4,7 k V

R13: 300 V /0,5W

R14: 100 k V

R15: 2,7 k V

R18, R45...R47: 1 k V

R19: 800 V

R20, R49, R50: 1 k V /5 W

R28, R32, R33: 10 V

R29: 4,7 k V

R30: 680 V

R31: 120 V

R36: 100 V

R37: 0,2 V /5 W

R38: 200 V

R44: 2 k V

R48: 33 V /2 W

PR1, PR2: 1 k V

PR3: 4,7 k V /A

PR4: 1 M V /A

Kondensatory

C1: 22 µF/25 V

C2: 100 nF/100V

C3, C9...C11, C16, C27, C28:

100 nF

C4: 4,7 nF

C5: 220 µF/16V

C6: 22 nF

C7,C8: 47 µF/16V

C12: 1 nF

C13: 10 nF

C14: 0,49 µF/10V

C15: 1 µF/16V

C17: 470 µF/16V

C18: 470 µF/25V

C19: 1000 µF/35V

C20: 4700 µF/35V

C21: 10 µF/50V

C22: 2 do 10 µF/50V

C23: 100 nF/1kV, impulsowy, typ

MKP 27

C24: 10µF/200V, olejowy

C25: 20 µF/200V, olejowy

C26: 0,5 µF/200V

Półprzewodniki

D1, D2, D7...D10, D15...D19:

1 A/100 V

D3, D6: dowolna, krzemowa

D4, D5: 1 A/400 V

D11...D14: BY399, 3 A/1 kV/500 ns

Pr1, Pr2: mostek, 1A/100 V

Pr3: mostek, 15 A/100 V

DZ1: 4,7 V

DZ2: 12 V/1,2 W

W1, W2: warystor, 130 V/1,3 W

LED1, LED2: dioda “pulsująca”,

dowolna

TO: transoptor, CNY 17-3

T1...T10, T12, T14, T15: BC107 lub

podobne

T11, T13: BC211 lub podobne

T17, T17: IRF 640

US1: 7824

US2: 7812

US3, US4, US6: NE555

US5: SG3525N

Ty1, Ty2: T20-300-03 prod. Dacpol,

Piasecznio, lub podobne.

Ty3: patrz opis

Transformatory

Tz: 380/24/80 VA

Trse: patrz opis

TrWN: patrz opis

TrP: patrz opis

Tr1, Tr2: patrz opis

Przekaźniki

P1: R15, cewka 24 V=, prod. Relpol

Żary

P2: cewka 24V=, styki 5 A

P3: patrz opis

P4: cewka 24=, styki 5 A

Inne

Ww: wyłącznik wodny – patrz opis

Dł1: dławik, patrz opis

B1, B2: bezpiecznik, 1 A

B: bocznik pomiarowy – patrz opis

Prp: przełącznik, styki 1 A

EZ: elektrozawór – patrz opis

Elektronika Praktyczna 10/2006

Przystawka do spawania aluminium metodą TIG

Fot. 5. Widok przedniej ścianki obu-

dowy

samych faz, co transformator spa-

walniczy TS. Jeden koniec uzwojenia

wtórnego transformatora TS podłą-

czony jest poprzez kabel spawalniczy

z przystawką (wejście „AC”), a drugi

do „masy”, czyli materiału spawane-

go, przewody te oznaczono pogru-

bioną linią. W przypadku spawania

prądem stałym (DC), ujemny biegun

wyjściowy prostownika spawalniczego

podłączamy do wejścia „DC” przy-

stawki, a drugi (plus) do „masy”. Pod-

łączenie to zobrazowano pogrubioną,

przerywaną linią.

Podłączenie spawarek do przy-

stawki dokonujemy zamiennie (nie

wolno podłączać dwóch źródeł jed-

nocześnie), bowiem grozi to uszko-

dzeniem tyrystorów mocy w przy-

stawce i diod prostowniczych w spa-

warce prądu stałego.

Aby spawać prądem stałym,

w prostowniku spawalniczym należy

zamocować gniazdo sterujące, które

jest połączone przewodem 2-żyło-

wym z gniazdem „STER” umiesz-

czonym na tylnej ściance przystaw-

ki. W tym przypadku, wewnątrz

spawarki DC instalujemy stycznik

dużej mocy (o ile go nie ma ory-

ginalnie) załączający urządzenie od

strony sieci zasilającej oraz prze-

kaźnik R15 z cewką 24 V/50 Hz.

Zestaw stycznik mocy i przekaźnik

R15 służy do załączenia i wyłącze-

nia procesu spawania. Zastosowanie

spawarki 3-fazowej do spawania

metodą TIG DC ma tą zaletę, iż

łuk spawalniczy jest bardziej stabil-

ny i elastyczny w porównaniu z łu-

kiem z prostownika jednofazowego.

Zacisk laboratoryjny „MASA”

umieszczony na tylnej ściance przy-

stawki, łączymy przewodem Cu (lin-

ka) o przekroju min. 2 mm 2 z mate-

riałem spawanym przy pomocy np.

zacisku sprężynowego. Połączenie to

umożliwia odblokowanie generatora

wysokiego napięcia i w tym przy-

padku jest wspólne dla opcji spa-

wania AC jak i DC.

Miliamperomierz analogowy z „ze-

rem” po środku skali służy do od-

czytu poziomu składowej stałej prądu

spawania (SS), a sprowadzanie jego

wskazań do zera odbywa się poten-

cjometrem „SS” umieszczonym tuż

pod miernikiem. Po każdej zmianie

nastawy prądu spawania i po zajarze-

niu łuku spawalniczego należy kory-

gować potencjometrem „SS” wskaza-

nia miliamperomierza. Potencjometr

„GAZ” służy do regulacji czasu opóź-

nienia wypływu gazu ochronnego po

skończonym spawaniu. Diody pulsu-

jące „WODA” i „MASA”, ich świecenie

informuje kolejno o braku lub niskim

ciśnieniu cieczy chłodzące oraz o bra-

ku galwanicznego połączenia pomię-

dzy zaciskiem „MASA”, a materiałem

spawanym. W przypadku spawa-

nia prądem stałym, dioda świecąca

„MASA” gaśnie, gdy na zaciskach spa-

warki pojawi się napięcie. Przełącznik

rodzaju pracy „AC/DC” ustala rodzaj

spawania TIG (AC lub DC).

Na początek należy zgromadzić

wszystkie elementy, jak: obudowa,

złącza wodne i gazowe oraz wyso-

koprądowe, elektrozawór gazu, pal-

nik TIG, podzespoły elektroniczne

itd. Doskonałą obudową dla przy-

stawki, okazała się być metalowa

obudowa od komputerów starszych

typów z podnoszonym na zawiasach

górnym wiekiem o wymiarach cało-

ści: 480x410x145 mm (dł. x szer. x

wys.), wewnątrz której mieszczą się

wszystkie podzespoły.

jest transformator spawalniczy zasila-

ny z sieci 380 V. Transformator ten

posiada płynną regulacje prądu spa-

wania uzyskaną poprzez przemiesz-

czanie w jego magnetowodzie tzw.

bocznika magnetycznego. Przystawką

tą można spawać również ze źródła

zasilanego z napięcia 220 V, lecz mała

wydajność prądowa takich spawarek,

znacznie ogranicza użyteczność całe-

go zestawu. Kilka dodatkowych złącz

i podzespołów czyni przystawkę na

tyle uniwersalną, że można nią rów-

nież spawać metodą TIG DC.

Jest to najbardziej proste i rów-

nocześnie skuteczne rozwiązanie

urządzenia do spawania aluminium

i tym samym zachęcam Czytelników

do dalszych prac konstrukcyjnych

nad rozwojem tego opracowania,

np. układu automatycznej likwida-

cji składowej stałej prądu spawania

(SS). Jest pole do popisu.

Wszystkie prace przy instalacji

elektrycznej spawarki, szczególnie

od „strony” sieci zasilającej powin-

ny być wykonane przez doświad-

czonych fachowców posiadających

odpowiednie kwaliﬁkacje iupraw-

nienia. Do montażu należy użyć

sprawdzonych podzespołów.

Schemat blokowy urządzenia

( rys. 4 ) pokazuje cały zestaw do spa-

wania metodą TIG AC/DC. Na sche-

macie pominięto instalację wodną

i gazową, które będą opisane poni-

żej. Przystawka jest zasilana poprzez

transformator Tz (380/24 V) z tych

Część mechaniczna

Obudowę od komputera, po usu-

nięciu z wnętrza wszystkich podze-

społów, należy wzmocnić w górnej

części trzema prętami stalowymi

o średnicy 8 mm, które mocowane

są śrubami M5 do pionowych ścia-

nek. Zarówno do ścianki przedniej

jak i tylnej obudowy na całej po-

wierzchni przymocowana jest nita-

mi płyta tekstolitowa o grubości 3

do 4 mm. Na ściankach tych będą

montowane poszczególne złącza, po-

tencjometry, przełączniki, wskaźniki,

itd. Rozmieszczenie elementów na

przedniej i tylnej ściance przystawki

przedstawiono na fot. 5 i 6 .

Montaż elementów zaczynamy

od największych gabarytowo, tj.

złącz wysokoprądowych do zasi-

lania przystawki zarówno prądem

przemiennym jak i stałym, które są

umieszczone w tylnej części obu-

dowy. Dalej, na tej ściance zamo-

cowane są złącza dla wejścia jak

i wyjścia cieczy chłodzącej oraz

złącze dla wejścia gazu. Tam też

jest zamocowane gniazdo elektrycz-

ne sterujące funkcją włącz-wyłącz

prąd spawania w przypadku spawa-

nia metodą TIG DC. Jest również

gniazdo zasilania przystawki z trans-

formatora Tz (380/24V/80VA), który

jest w oddzielnej obudowie, bowiem

przyjęto zasadę, aby do przystawki

nie doprowadzać bezpośrednio na-

pięcia sieciowego. Należy baczną

uwagę zwrócić na solidne zamoco-

Fot. 6. Rozmieszczenie elementów na

tylnej ściance obudowy

Elektronika Praktyczna 10/2006

Przystawka do spawania aluminium metodą TIG

wanie wszystkich złącz, szczególnie

złącza wyjściowego TIG oraz złącza

sterującego pracą przystawki mikro-

wyłącznikiem, który znajduje się

w rękojeści palnika. Złącza te mo-

cujemy w odległości nie mniejszej,

niż 25 mm od jakiejkolwiek meta-

lowej części obudowy, bowiem wy-

stępuje na nich wysokie napięcie.

Rozmieszczenie wszystkich podze-

społów wewnątrz przystawki poka-

zano na fot. 7 .

Fot. 7. Widok wnętrza przystawki TIG

„pastylkowe” powinny być mocowa-

ne do radiatora kluczem dynamome-

trycznym i każdy producent takich

tyrystorów w katalogu podaje, z jaką

siłą mają być przymocowane. Tyry-

story mocy o innym kształcie obu-

dowy, np. z anodą w postaci śruby,

a katodą w postaci przewodu, mon-

tujemy podobne, lecz cały zestaw

będzie gabarytowo większy. Ważne

jest, aby zapewnić jak największy

powierzchniowo kontakt elektrod ty-

rystora z płaskownikiem miedzianym,

który przewodzi prąd spawania jak

i odprowadza ciepło wydzielane

przez tyrystory mocy.

Stanisław Krasicki

skrasicki@wp.pl

Radiator wodny

Zastosowany w przystawce palnik

TIG wymaga wymuszonego chło-

dzenia cieczą. Jest więc okazja, aby

w obwód chłodzenia włączyć również

tyrystory mocy. Płynący w obwodzie

przystawki prąd spawania rzędu na-

wet kilkuset amperów w krótkim cza-

sie zniszczy tyrystory mocy, jeśli nie

będą one chłodzone. Powstaje zatem

konieczność zbudowania radiatorów

chłodzonych cieczą. Konstrukcja me-

chaniczna radiatora zależy od kształ-

tu obudowy posiadanych tyrystorów.

Najłatwiej zbudować radiator dla ty-

rystorów, które mają kształt pastyl-

ki, tak jak użyte w przedstawionym

opracowaniu.

Konstrukcja radiatora składa się

z dwóch płyt tekstolitowych o gru-

bości min. 10 mm, do których od

strony wewnętrznej zamocowane są

dwa płaskowniki miedziane o grubo-

ści 2 mm i szerokości 40 mm. Do

płaskowników na całej długości na-

leży przylutować najlepiej na „twar-

do” rurki miedziane o średnicy wew.

min. 3 mm, przez które przepływać

będzie ciecz chłodząca. Całość radia-

tora jest skręcona pięcioma śrubami

M6. Należy pamiętać, że tyrystory

Szczególne podziękowanie skła-

dam Panom: dr. inż. Andrzejowi Bo-

browiczowi z Politechniki Szczeciń-

skiej za rzeczowe uwagi dotyczące

zagadnień spawalniczych oraz Pre-

zesowi Bogusławowi Deręgowskiemu

z Firmy SUT Spawalnictwo i Urzą-

dzenia Techniczne dla Ochrony Śro-

dowiska w Szczecinie, za nieodpłat-

ne udostępnienie argonu.

Elektronika Praktyczna 10/2006

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: