PE Spawarki Archiwum

PE Spawarki Archiwum

  Spawalnictwo ma już za sobą długą historie. Jako metoda łączenia spawanie może być niezastąpione lub może zastępować alternatywne połączenia nitowe, śrubowe, zgrzewane, zaciskane i klejone.

Opanowano spawanie różnych stali ale także stopów tytanu i aluminium co bardzo istotne jest w lotnictwie i produkcji militarnej.

Od połączenia spawem oczekujemy wysokiej wytrzymałości oraz prostego czyszczenia i szlifowania powstałego złącza a najlepiej braku wymogu tych operacji i dobrej prezencji.

Automatyzacja i półautomatyzacja pozwalają uzyskać powtarzalny spaw dobrej jakości. Niestety automatyzacja dla opłacalności wymaga dużej serii produkcyjnej. Automat długi spaw okrętowy wykonuje 3-4 razy szybciej niż spawacz. Automaty spawalnicze nie są przy tym mocno skomplikowane.

Buduje się coraz dłuższe ropociągi i gazociągi. Gdy spawana rura jest położona na dnie morza wysoka jakość spawu jest bardzo ważna bowiem naprawa takiego rurociągu jest kosztowna.

Spawacze żądają wysokich stawek jako że jest to praca kwalifikowana a przy tym brudna i niebezpieczna.

Jako źródła prądu do spawania stosowano i stosuje się:

-Jednofazowy transformator zasilany napięciem „380V” z dwóch faz sieci trójfazowej o mechanicznie regulowanym rozproszeniu czyli o regulowanym prądzie zwarcia i prądzie spawania. Prąd zmienny nadaje się tylko do ręcznego spawania elektrodą z otuliną. Niemożliwa jest automatyzacja i półautomatyzacja procesu spawania. Dodatkowo taka spawarka jest uciążliwa dla sieci zasilającej z racji asymetrii poboru prądu i małego współczynnika mocy. Aby łuk był w miarę stabilny napięcie jałowe transformatora wynosi 70-80Vac i jest już niebezpieczne dla człowieka. Spawacz musi być wykwalifikowany i doświadczony. Jakość spawu jest raczej niska. Prądy spawania dochodzą do 1800 A

-W agregacie spawalniczym trójfazowy silnik asynchroniczny napędza komutatorową prądnice prądu stałego. Kombinacja wzbudzenia równoległego i szeregowego pozwala uzyskać różne charakterystyki wyjściowe dogodne do konkretnego procesu spawania. Regulacja jest ręcznie wykonywana potencjometrem drutowym dużej mocy lub przełącznikiem z rezystorami. Niemożliwa jest automatyzacja i półautomatyzacja procesu spawania. Agregat spawalniczy jest drogi, ciężki i hałaśliwy. Wymaga okresowej wymiany szczotek i po długim czasie remontu komutatora. Prądy spawania dochodzą do 1200 A.

-Po wojnie za transformatorem zastosowano duży rozmiarami prostownik selenowy zastąpiony później diodami krzemowymi.

-Zastosowano regulacje charakterystyki zasilacza 6 dławikami nasycanymi w układzie szybkiego wzmacniacza magnetycznego Rameya. Mankamentem jest znaczny ciężar dławików. Regulacja wykonywana jest potencjometrem lub sygnałem o znikomej mocy wypracowanym przez układ automatyzacji i półautomatyzacji procesu spawania. Możliwa jest automatyzacja i półautomatyzacja procesu spawania oraz poprawienie komfortu pracy spawacza. W szczególności po wykryciu dotknięcia elektrodą spawalniczą przedmiotu czyli zwarcia prąd jest ograniczony aby nie doszło do przyklejenia elektrody, która trudno jest oderwać. Po zapaleniu łuku prąd jest przez krótką chwile forsowany aby większą mocą rozgrzać przedmiot i elektrodę. Charakterystyka wyjściowa jest wybierana adekwatnie do konkretnego procesu spawania. Przy automatycznym spawaniu podawanym mechanicznie drutem w osłonie gazowej MIG-MAG ( Metal Inert Gas – Metal Active Gas ) można wykorzystać samostabilizacje długości łuku przy sztywnej charakterystyce zasilacza. Za krótki luk powodu wzrost prądu i pobranej mocy i szybsze stopienie drutu i w rezultacie wydłużenie łuku.

-Nasycane dławiki Rameya z szeregową dioda zastąpiono tyrystorami już w drugiej połowie lat sześćdziesiątych. Takie same są zniekształcenia prądu pobieranego z sieci zasilającej i duża jest pobierana moc bierna. Zasilacz bez dławików jest jednak znacznie lżejszy. W zasilaczach o prądzie do 160 A stosowany jest czasem transformator jednofazowy a w mocniejszych trójfazowy. Możliwa i stosowana jest automatyzacja i półautomatyzacja procesu spawania.

Zasilacz dla jednego spawacza ma transformator trójfazowy a za nim sterowany mostek z 6 tyrystorów lub 3D+3T i wygładzający dławik wyjściowy.

Zasilacz dla wielu stanowisk spawania ( do 10 ) ma jeden silny transformator trójfazowy ale z podwójnym wtórnym uzwojeniem gwiazdowym. Każde wyjście zasilacza obsługiwane jest przez 6 tyrystorów. Dla izolacji prądy wyjściowe mierzone są przez odmianę sensora Flux Gate. Każde wyjście ma w pełni niezależną regulacje charakterystyki. Na rysunku pokazano zasilacz z 4 wyjściami. Zasilacz na N stanowisk spawalniczych jest znacznie tańszy niż N zasilaczy na jedno stanowisko. W polskich stoczniach jest stosowane jedno źródło napięcia z którego rezystorami mocy podaje się prąd do poszczególnych wyjść na stanowiska. Jest to bardzo energetycznie marnotrawne.

Do spawanie łukiem krytym przez „traktory” produkowane są zasilacze o prądzie do 3000 A, które dodatkowo podtrzymują tak zwany dyżurny łuk niewielkim prądem, którego napięcie może przekroczyć 2000Vdc choć zwykle jest to do 250 Vdc !

Przy spawaniu elektrodą wolframową TIG ( Tungsten Inert Gas) bezdotykowy zapłon łuku ( bardzo gorąca przy pracy elektroda wolframowa nie może niczego dotykać bowiem szybko się ubrudzi i straci trwałość a może od razu ulec zniszczeniu a nie jest tania) otrzymuje się podając do elektrody krótkie HF impulsy wysokiego napięcia. Bez dotyku elektrodą początek szwu jest czysty. Dla człowieka impuls HF jest bezpieczny ale może powodować silne zakłócenia wszelkich systemów elektronicznych. Dawniej impulsy jonizujące otrzymywano stosując iskrowniki. Były nietrwałe a zakłócenia EMC były niemożliwe do opanowania. Obecnie jako klucz w układzie jonizatora stosuje się silnie wyzwalany bramką tyrystor jako że szybkość narastania załączonego prądu di/dt jest bardzo duża.

-Tyrystorowe inwertery w zasilaczach są zawodne i nie zyskały popularności.

-Szybko rośnie popularność impulsowych zasilaczy tranzystorowych dużej mocy do spawania .

Stosowanie jonizatora do bezdotykowego zapłonu łuku jest konieczne w metodzie TIG. Jonizator nazywany jest TIG-HF od High Frequency. Prymitywny jonizator z przerwą iskrową wytwarzający silne zakłócenia radiowe był złem koniecznym. Przerwa iskrowa ( czyli Spark Gap - nowoczesna jest hermetyczna w obudowie ceramicznej ) może być użyta w dwóch miejscach. W pierwszym rozwiązaniu rozładowuje ona ( alternatywnie robi to tyrystor) kondensator circa 100nF naładowany do napięcia 600-1000Vdc ( powielone napięcie sieciowe ) przez uzwojenie podwyższającego ca 1:10 transformatora HF. W drugim rozwiązaniu kondensator pojemności ca 0.5-2 nF naładowany do napięcia circa 5-10 KV ( na przykład samochodową cewką zapłonową ) podany jest do wyjścia spawarki a dławik wyjściowy prostownika spawarki zapobiega osłabieniu impulsu i zaabsorbowaniu energii przez prostownik. Erozja elektrod iskrownika jest proporcjonalna do rozładowanego ładunku i w drugim rozwiązaniu jest wielokrotnie mniejsza.

Ale w spawaniu automatycznym i półautomatycznym jonizator wraz z systemem detekcji przeskoku iskry i zapalenia łuku wydaje się do rozważenia jako bardzo użyteczny w metodach MIG – MAG bowiem jest doskonałym sensorem zbliżenia elektrody do miejsca spawania na odległość ca 1-5 mm zależnie od napięcia generowanego przez jonizator impulsów. Nie trzeba stosować drogiego i dokładnego robota przemysłowego a wystarczy prosty napęd (elektryczny lub liniowy pneumatyczny ) z ewentualnymi przełącznikami krańcowymi, transoptorami szczelinowym czy indukcyjnymi sensorami zbliżenia do oznaczenia położenia. Ręczne spawanie metodami MIG-MAG polega na naciśnięciu przycisku w uchwycie co powoduje uruchomienie zaworu gazu osłonowego i po chwili wysuwu drutu spawalniczego. Niemniej dotknięcie ( i cofniecie ) drutem spawanego przedmiotu jest konieczne dla zajarzenia łuku. Po dodaniu jonizatora i modyfikacji algorytmu sterowania dotkniecie i cofniecie nie będzie konieczne.

Autor wykonał generator jonizatora z tyrystorem BT152-800 podający z kondensatora polipropylenowego 100 nF impuls na jedno zwojowe (!) uzwojenie pierwotne na rdzeniu EE65 ( od odbiornika TVC Jowisz ) gdzie można umieścić nawinięte blachą miedzianą 10 zwoi uzwojenia pierwotnego przez które może płynąć prąd spawania. Dla testu nawinięto tam 10 zwoi przewodu instalacyjnego jako uzwojenie wtórne i dołączono do iskiernika modelującego elektrodę spawarki TIG. Izolacja drutu spawalniczego w spawarce MIG-MAG jest możliwa do osiągnięcia. Katalogowa maksymalna stromość narastania prądu tego tyrystora wynosi 200A/us i to tylko przy podanym szybkim impulsie bramkowym. Jest ona przekroczona w opisywanym układzie jonizatora ale tyrystor przy silnym wyzwoleniu szybkim i silnym impulsem bramkowym to toleruje i to z napięciem 1000 V. Wydaje się że tyrystor ma rozwiniętą bramkę ponieważ maksymalny impulsowy 10 us prąd bramki wynosi circa 5A jako że Pgm=20W. Szybki i silny impuls bramkowy jest bardzo ważny bowiem przy słabym impulsie tyrystor dość szybko ulega uszkodzeniu. Przy częstotliwości impulsów HF-HV ca 50 Hz tyrystor jest tylko lekko ciepły.

N.B Regulowany napęd podawania drutu w metodzie MIG-MAG jest jednokierunkowy. Stosowany jest silnik prądu stałego na 24Vdc a jego napięcie metodą PWM reguluje tranzystor - klucz. Silnik po zakończeniu spawania jest hamowany zwierającym go tranzystorem z szeregowym opornikiem łagodzącym hamowanie. Ilość drutu który wysunie się przy hamowaniu ma znaczenie dla operatora który drut ma dotknąć do przedmiotu w kolejnym cyklu zapalenia łuku. Ale silnik można by sterować dwukierunkowo mostkiem H i mógłby on wykonać akcje dotknięcia i cofnięcia drutu a w czasie spawania korygować precyzje ruchów spawacza lub automatu. Akcje dotknięcie drutem i jego cofnięcia na początku spawania można by też wykonać elektromagnesem a nawet mechanicznie. Jest pole do zastosowania mikrokontrolera i jego „uczenia się” dla optymalizacji procesu spawania.

Dla minimalizacji zakłóceń jonizator powinien być aktywny tylko gdy jest potrzebny.

Wymagane natężenie prądu we współczesnych procesach spawania mieści się w granicach 100-1000A ( najczęściej kilkaset amper ) a wyjątkowo przy spawaniu łukiem krytym bardzo grubych materiałów ( ca 100 mm) może dojść do 10 kA. Przy wielkim zapotrzebowaniu równolegle pracuje kilka silnych zasilaczy.

Spawarka jest zasilana trójfazowym napięciem 380V ( zależnie od kraju ) co daje wyprostowane mostkiem z kondensatorem napięcie jałowe 535Vdc.

Wraz ze wzrostem napięcia Uceo spada szybkość przełączania tranzystora czyli rosną straty dynamiczne i spada jego wzmocnienie.

Katalogowe napięcie Uceo wysokonapięciowych energoelektronicznych tranzystorów bipolarnych mocy wynosi tylko 400-450V. Tylko do telewizyjnych TVC układów odchylania poziomego produkowane są tranzystory mocy o Uceo=600-800V i Ucbo=1500V.

Napięcie zasilania z prostownika trójfazowego jest bardzo wysokie jak na możliwości tranzystorów o Uce=450V. Z tego względu w inwerterze można tylko zastosować mod pracy Forward i półmostek, pełen mostek lub dwutranzystorowy układ asymetryczny czyli układy gdzie napięcie na kluczu ( bez uwzględnienia pików na indukcyjnościach połączeń ) wynosi maksymalnie napięcie zasilania. W półmostku i mostku można zastosować tylko snubber RC dający w momencie załączenia tranzystora duży ale krótki impuls mocy strat w tranzystorze. Lepszy pod tym względem jest dwutranzystorowy układ asymetryczny gdzie można zastosować skuteczniejszy snubber RCD lub „bezstratny” snubber LCD. Jednak w tym układzie gorsze jest wykorzystanie transformatora oraz dławika wyjściowego czyli muszą one być większe i droższe. Dwa razy większe jest też napięcie wsteczne na szybkich diodach prostownika niż przy półmostku i mostku. Niepełne jest też przemagnesowanie rdzenia ferrytowego transformatora. Nie da się też skompensować szeregowym z uzwojeniem pierwotnym kondensatorem indukcyjności rozproszenia transformatora, która może być trudna w minimalizacji. Z drugiej strony indukcyjność rozproszenia transformatora zmniejsza straty dynamiczne w szybkich diodach prostownika i ich gasikach RC czyli maleją wymagania na diody na duży prąd, które są drogie.

W zasilaczu pierwszego komputera IBM PC model 5150 z 1981 roku zastosowano zasilacz w modzie flyback. Jednak szeroką popularność w komputerach PC ( także innych) zyskał półmostkowy konwerter w modzie forward ze scalonym tanim, prostym kontrolerem TL494. Tranzystory są sterowane poprzez transformatorek na którym jest też uzwojenie przez które płynie prąd wyjściowy półmostka. To znaczy tranzystory są sterowane proporcjonalnie do prądu kolektora co wiele zalet. Oszczędza się na energii sterowania a tranzystory są na granicy nasycenia i można je bezpiecznie szybko wyłączyć bez długiego wychodzenia z nasycenia . Układ ten znakomicie nadaje się też do dużo większych mocy.

Ze względu na niezawodność przyjmuje się że tranzystor nie powinien pracować z napięciem Uceo większym od 70-80% katalogowego. Na wykresie SOA podaje się bezpieczne statycznie i dynamicznie kombinacje napięcia i prądu kolektora. Wykres zawsze kończy się na napięciu Uceo.

Spraw wymaga rozebrania na czynniki pierwsze. „Uceo” nie jest de facto skalarem ale funkcją prądu kolektora. Faktyczne jednostkowe dla konkretnego egzemplarza napięciu Uceo jest zdefiniowane przez zerowym prądzie bazy i określonym prądzie kolektora. Uceo tranzystorów mocy z uwagi na II przebicie mierzy się tylko impulsowo i to przy ograniczonym prądzie. Konstrukcja systemu do pomiaru Uceo tranzystorów mocy pomysłu autora jest prosta a nawet bardzo prosta.

Czyli przy napięciu Uceo wzmocnienie prądowe tranzystora jest nieskończone ale przy trochę mniejszym napięciu Uce jest nadal bardzo duże co widać na podanym wykresie tranzystora małosygnałowego.

Czy liniowa praca tranzystora z napięciem powyżej Uceo jest w ogóle możliwa ? Przy napięciu powyżej Uceo prąd bazy jest ujemny a wzmocnienie od strony emitera jest większe od jedności i rośnie do nieskończoności gdy napięcie kolektora zbliża się do Ucbo. Wydaje się to dziwne ale wynika z fizyki tranzystora. Tranzystor przy napięciu wyższym od Uceo w systemie bez szybkiego sprzężenia zwrotnego stabilnie można liniowo sterować tylko od strony emitera.

Linie na wykresie SOA można przedłużyć poza Uceo. Obszar pracy bezpiecznej jest powyżej napięcia Uceo coraz węższy. Widać to na przykładzie rodziny tranzystorów o różnych napięciach Uceo. Do kolejnych napięć Uceo wykresy są wspólne.

Tranzystor jako przełącznik pracujący z napięciem większym od Uceo musi mieć snubber aby przy wyłączenia prąd kolektora spadł do zera przed wzrostem napięcia powyżej Uceo.

Popularny tranzystor mocy 2N3055 ma katalogowe napięcie Uceo=60V a napięcie Ucer=70V przy Ic=200mA i rezystorze Rbe bazowym 100 Ohm. Przez rezystor Rbe przy napięciu indywidualnym większym od Uceo i przy wymuszonym prądzie kolektora płynie ujemny prąd bazy.

Tranzystor z napięciem kolektora Uce większym od jego faktycznego Uceo po podaniu dodatniego prądu bazy ( także przez upływ złącza kolektora baza ) załącza się momentalnie ze zjawiskiem powielania lawinowego wielokrotnie szybciej niż to wynika z jego częstotliwości Ft.

Tranzystor 2N2369 ( = krajowy BSXP87) generuje lawinowo impuls o czasie rzędu 0.3 ns.

Co trzeba zrobić aby tranzystor mógł bezpiecznie w stanie bezprądowym mieć napięcie większe od Uceo. Rezystor Rbe ze wzrostem Uce musi mieć coraz mniejszą wartość. Musi to być rezystor w pełnym pasmie częstotliwości !

Zatem jeśli sterowanie bazy tranzystora – klucza podamy z transformatorka poprzez przyspieszający równoległy dwójnik RC to do B-E trzeba dołączyć szeregowy dwójnik RC aby w pełnym pasmie częstotliwości mimo indukcyjności rozproszenia transformatorka tranzystor przy zwarciu uzwojenia pierwotnego transformatorka widział tam tylko mały rezystor.

Do momentu podjęcia pracy, także przy rośnięciu napięcia zasilania z prostownika po załączeniu włącznika sieciowego, driver po stronie uzwojenia pierwotnego transformatorka musi zwierać uzwojenie.

W eksperymentalnym półmostku zasilanym wyprostowanym napięciem trójfazowym Udc=540V użyto popularnych tranzystorów BUX48A o Uceo=450V, Ucbo=1000V i Ic=15A. Zmierzone przy prądzie impulsowy circa 500 mA napięcie Uceo tranzystorów wynoszą odpowiednio 540V i 560V. Obciążeniem są połączone czajniki do wody ( stąd czas pracy invertera jest ograniczony do zagotowania się wody ) plus szeregowa indukcyjność podobna jak indukcyjność rozproszenia transformatora. Tranzystory są sterowane transformatorkiem proporcjonalnie ze stosunkiem Ic/Ib=4 plus prąd drivera bardzo podobnie jak w zasilaczu PC. Moc strat w tranzystorach przy częstotliwości modulacji 20KHz jest mniejsza niż się spodziewano. Parametry dynamiczne tranzystora BUX48A szybko psują się z rosnącym prądem kolektora i prąd Ic=8-10A to raczej jest maksimum dla dobrych parametrów. Są to raczej nienowoczesne wieloepitaksjalne tranzystory Mesa. Problemem jest duża moc wydzielająca się w snubberze RC, który jest zwymiarowany na maksymalny prąd obciążenia. Obserwowane oscyloskopem napięcie Ube i Uce dolnego klucza są poprawne i tranzystor pracuje bezpiecznie. Kontrola napięcia Ube górnego tranzystora jest oczywiście niemożliwa ale układ dla obu tranzystorów jest symetryczny i nie ma żadnego powodu aby tam było inaczej.

Moc półmostka z dwoma tranzystorami BUX48A jest za mała do uniwersalnej spawarki. Trzeba użyć pełnego mostka co w niczym istotnie nie komplikuje układu sterowania. Dla dużych mocy pełny mostek jest zawsze rozwiązaniem najlepszym.

Zatem bezpieczna praca tranzystora bipolarnego jako klucza z dużym napięciem kolektora jest możliwa ale jednak nie jest polecana. Wskazana jest selekcja aby jednak zastosować tylko egzemplarze których napięcie Uceo nie będzie przekraczane.

Szybka musi być ochrona nadprądowa tranzystora bowiem przy zbyt dużym prądzie napięcie na wyłączanym tranzystorze przekroczy jego indywidualne Uceo i jego dalsze wyłączenie ujemnym prądem bazy z racji powielania lawinowego może okazać się niemożliwe.

Musi być dokładnie monitorowane napięcie zasilania Udc i przy awaryjnych anomaliach sieciowych inwerter musi być momentalnie zablokowany. Wskazana jest ochrona przepięciowa napięcia sieciowego warystorami.

W Polsce nie są produkowane tranzystory wysokonapięciowe ani też szybkie diody na duży prąd do prostownika inwertera spawarki.

Zasilacz z transformatorem sieciowym 50Hz i prostownikiem tyrystorowym ma względnie dobre parametry ( ale rzecz jasna gorsze niż z inwerterem którego pasmo jest znacznie szersze ) ale jest znacznie cięższy od zasilacza z inwerterem. Wolne tyrystory i diody mocy są produkowane w Polsce.

Spawalnictwo cały czas się w krajach cywilizowanych rozwija. Proponowane są różne algorytmy dla procesu spawania.

Automatyzacja i półautomatyzacja spawania są w Polsce zaniedbane.

W stoczniach Gdańska i Szczecina produkuje się statki. Produkcja kadłuba polega na wycięciu z grubych blach fragmentów sekcji kadłuba i po wygięciu ich zespawaniu. Duże postępy w budowie okrętów czyni Korea Południowa. Nawet przy naszej taniej pracy stracimy tą nisze rynkową.