Główne typy spawarek

Mocowanie części poprzez spawanie i lutowanie opiera się na jednej zasadzie: zalewaniu łączonych elementów stopionymi metalami. Tylko przy lutowaniu stosuje się niskotopliwe luty ołowiowo-cynowe, a przy spawaniu te same metale, z których wykonane są spawane konstrukcje.

Prawa fizyczne działające w spawaniu

Aby przenieść metal z normalnego stanu stałego do stanu ciekłego, należy go ogrzać do bardzo wysokiej temperatury, wyższej niż jego temperatura topnienia. Spawarki elektryczne działają na zasadzie wytwarzania ciepła w drucie, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny.

W pierwszej połowie XIX wieku zjawisko to opisali jednocześnie dwaj fizycy: Anglik James Joule i Rosjanin Emil Lenz. Udowodnili, że ilość ciepła wytwarzanego w przewodniku jest wprost proporcjonalna do:

1. iloczyn kwadratu przepływającego prądu;

2. opór elektryczny obwodu;

3. czas ekspozycji.

Aby wytworzyć ilość ciepła zdolną do stopienia części metalowych za pomocą prądu, należy na nie wpłynąć jednym z tych trzech kryteriów (I, R, t).

Wszystkie spawarki stosują sterowanie łukiem poprzez zmianę wartości przepływającego prądu. Pozostałe dwa parametry są klasyfikowane jako dodatkowe.

Rodzaje prądu dla spawarek

Idealnie, stały czas prądu elektrycznego, który może być generowany ze źródeł takich jak akumulatory lub baterie chemiczne lub specjalne generatory, najlepiej nadaje się do równomiernego ogrzewania części i obszaru szwu.

Jednak schemat pokazany na zdjęciu nigdy nie jest stosowany w praktyce. Wykazano, że wyświetla stabilny prąd, który może zajarzyć gładki, idealny łuk.

Spawarki elektryczne działają na prąd przemienny o przemysłowej częstotliwości 50 Hz. Jednocześnie wszystkie są stworzone do długotrwałej, bezpiecznej pracy spawacza, która wymaga zainstalowania minimalnej różnicy potencjałów pomiędzy spawanymi częściami.

Jednak dla niezawodnego zapłonu łuku konieczne jest utrzymanie poziomu napięcia 60 ÷ 70 woltów. Ta wartość jest traktowana jako wartość początkowa dla obwodu roboczego, gdy na wejście spawarki podawane jest napięcie 220 lub 380 V.

Prąd przemienny do spawania

W celu obniżenia napięcia zasilającego instalację elektryczną do wartości roboczej spawania stosuje się wydajne transformatory obniżające napięcie z możliwością regulacji wartości prądu. Na wyjściu tworzą taki sam sinusoidalny kształt jak w sieci elektroenergetycznej. A amplituda harmonicznych dla spalania łuku jest tworzona znacznie wyżej.

Konstrukcja transformatorów spawalniczych musi spełniać dwa warunki:

1.ograniczenie prądów zwarciowych w obwodzie wtórnym, które w zależności od warunków pracy występują dość często;

2. stabilne spalanie zajarzonego łuku niezbędne do pracy.

W tym celu zostały zaprojektowane z zewnętrzną charakterystyką woltamperową (VAC), która ma stromy spadek. Odbywa się to poprzez zwiększenie rozpraszania energii elektromagnetycznej lub włączenie dławika — cewki o rezystancji indukcyjnej — do obwodu.

W starszych konstrukcjach transformatorów spawalniczych do regulacji prądu spawania stosuje się metodę przełączania liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym lub wtórnym. Ta pracochłonna i kosztowna metoda przeżyła swoją użyteczność i nie jest stosowana w nowoczesnych urządzeniach.

Wstępnie transformator jest ustawiony na dostarczanie maksymalnej mocy, co jest wskazane w dokumentacji technicznej oraz na tabliczce znamionowej pudełka. Następnie, aby wyregulować prąd roboczy łuku, zmniejsza się go na jeden z następujących sposobów:

• podłączenie rezystancji indukcyjnej do obwodu wtórnego. Jednocześnie zwiększa się nachylenie charakterystyki I — V i maleje amplituda prądu spawania, jak pokazano na powyższym zdjęciu;

• zmiana stanu obwodu magnetycznego;

• obwód tyrystorowy.

Metody regulacji prądu spawania poprzez wprowadzenie rezystancji indukcyjnej w obwodzie wtórnym

Transformatory spawalniczete prace na tej zasadzie są dwojakiego rodzaju:

1. z płynnym układem sterowania prądem dzięki stopniowej zmianie szczeliny powietrznej wewnątrz indukcyjnego drutu magnetycznego;

2. ze skokowym przełączaniem liczby zwojów.

W pierwszej metodzie indukcyjny obwód magnetyczny składa się z dwóch części: nieruchomej i ruchomej, która porusza się poprzez obrót manetki sterującej.

Przy maksymalnej szczelinie powietrznej powstaje największy opór przepływu elektromagnetycznego i najmniejszy opór indukcyjny, co zapewnia maksymalną wartość prądu spawania.

Pełne zbliżenie części ruchomej obwodu magnetycznego do stacjonarnej powoduje zmniejszenie prądu spawania do najniższej możliwej wartości.

Regulacja skokowa polega na wykorzystaniu ruchomego styku do stopniowego przełączania określonej liczby uzwojeń.

Dla tych indukcyjności obwód magnetyczny jest cały, nierozłączny, co nieco upraszcza ogólny projekt.

Metoda regulacji prądu polegająca na zmianie geometrii obwodu magnetycznego transformatora spawalniczego

Ta technika jest wykonywana za pomocą jednej z następujących metod:

1. przesuwając sekcję cewek ruchomych w różnej odległości od cewek nieruchomych;

2. Dostosowując położenie bocznika magnetycznego wewnątrz obwodu magnetycznego.

W pierwszym przypadku tworzony jest transformator spawalniczy o zwiększonym rozpraszaniu indukcyjności ze względu na możliwość zmiany odległości między uzwojeniami obwodu pierwotnego, nieruchomymi w rejonie dolnego jarzma, a ruchomym uzwojeniem wtórnym.

Porusza się dzięki ręcznemu obracaniu uchwytu wałka regulacyjnego, który działa na zasadzie śruby pociągowej z nakrętką. W tym przypadku położenie cewki zasilającej jest przekazywane za pomocą prostego schematu kinematycznego do mechanicznego wskaźnika, który jest wyskalowany w podziałach prądu spawania. Jego dokładność wynosi około 7,5%.Dla lepszych pomiarów w obwodzie wtórnym wbudowany jest przekładnik prądowy z amperomierzem.

Przy minimalnej odległości między cewkami generowany jest największy prąd spawania. Aby go zmniejszyć, konieczne jest przesunięcie ruchomej cewki na bok.

Takie konstrukcje transformatorów spawalniczych powodują podczas pracy duże zakłócenia radiowe. Dlatego ich obwód elektryczny zawiera filtry pojemnościowe, które redukują zakłócenia elektromagnetyczne.

Jak włączyć ruchomy bocznik magnetyczny

Jedna z wersji obwodu magnetycznego takiego transformatora pokazano na poniższym zdjęciu.

Zasada jego działania opiera się na manewrowaniu pewną częścią strumienia magnetycznego w rdzeniu dzięki włączeniu korpusu regulacyjnego ze śrubą pociągową.

Transformatory spawalnicze sterowane opisanymi metodami wykonane są z rdzeniami magnetycznymi wykonanymi z blach elektrotechnicznych i cewkami z drutów miedzianych lub aluminiowych z izolacją żaroodporną. Jednak ze względu na długotrwałą eksploatację tworzone są z możliwością dobrej wymiany powietrza w celu odprowadzenia wytworzonego ciepła do otaczającej atmosfery, w związku z czym charakteryzują się dużą wagą i gabarytami.

We wszystkich rozważanych przypadkach prąd spawania przepływający przez elektrodę ma zmienną wartość, co zmniejsza równomierność i jakość łuku.

Prąd stały do ​​spawania

Obwody tyrystorowe

Jeśli dwa przeciwstawnie połączone tyrystory lub jeden triak zostaną połączone za uzwojeniem wtórnym transformatora spawalniczego, poprzez elektrody sterujące, z których obwód sterujący służy do regulacji fazy otwierania każdego półcyklu harmonicznej, wówczas możliwe staje się zmniejszyć maksymalny prąd obwodu zasilającego do wartości wymaganej dla określonych warunków spawania.

Każdy tyrystor przepuszcza tylko dodatnią półfalę prądu z anody do katody i blokuje przejście jego ujemnej połowy. Sprzężenie zwrotne pozwala kontrolować obie półfale.

Organ regulujący w obwodzie sterującym ustawia przedział czasu t1, w którym tyrystor jest nadal zamknięty i nie przechodzi swojej półfali. Gdy w czasie t2 do obwodu elektrody sterującej zostanie doprowadzony prąd, tyrystor otwiera się i przechodzi przez niego część dodatniej półfali, oznaczona znakiem „+”.

Kiedy sinusoida przechodzi przez wartość zerową, tyrystor zamyka się, nie przepuszcza przez siebie prądu, dopóki dodatnia półfala nie zbliży się do jego anody, a obwód sterujący bloku przesunięcia fazowego nie wyda polecenia elektrodzie sterującej.

W chwili t3 i T4 tyrystor podłączony do licznika działa według opisanego już algorytmu. Tak więc w transformatorze spawalniczym wykorzystującym obwód tyrystorowy część energii prądu jest przerywana w chwilach t1 i t3 (powstaje przerwa bez prądu), a prądy płynące w odstępach t2 i t4 są wykorzystywane do spawania.

Ponadto te półprzewodniki można instalować w pętli pierwotnej, a nie w obwodzie elektrycznym. Pozwala to na zastosowanie tyrystorów o mniejszej mocy.Ale w tym przypadku transformator przekształci odcięte części półfal fali sinusoidalnej, oznaczone znakami „+” i „-”.

Obecność przerwy bez prądu w okresach przerwy części harmonicznych prądu jest wadą obwodu, która wpływa na jakość jarzenia się łuku. Zastosowanie specjalnych elektrod i innych środków pozwala z powodzeniem wykorzystać obwód tyrystorowy do spawania, który znalazł dość szerokie zastosowanie w konstrukcjach tzw. prostowniki spawalnicze.

Obwody diodowe

Jednofazowe prostowniki spawalnicze małej mocy mają schemat połączeń mostkowych złożony z czterech diod.

Tworzy formę wyprostowanego prądu, który przybiera postać stale naprzemiennych dodatnich półfal. W tym obwodzie prąd spawania nie zmienia swojego kierunku, a jedynie waha się co do wielkości, tworząc fale. Ten kształt lepiej utrzymuje łuk spawalniczy niż kształt tyrystorowy.

Urządzenia takie mogą mieć dodatkowe uzwojenia połączone z uzwojeniami roboczymi przekładnika regulującego prąd. Jego wartość jest określana przez amperomierz podłączony do obwodu wyprostowanego przez bocznik lub sinusoidę - przez przekładnik prądowy.

Schemat mostka Larionova

Przeznaczony jest do układów trójfazowych i dobrze współpracuje z prostownikami spawalniczymi.

Włączenie diod zgodnie ze schematem tego mostka umożliwia dodanie wektorów napięcia do obciążenia w taki sposób, aby wytworzyły napięcie końcowe U out, które charakteryzuje się małymi tętnieniami i zgodnie z prawem Ohma tworzy łuk prąd o podobnym kształcie na elektrodzie spawalniczej. Jest znacznie bliższy idealnej postaci prądu stałego.

Cechy zastosowania prostowników spawalniczych

Prąd wyprostowany w większości przypadków pozwala na:

• bezpieczniej jest zapalić łuk;

• zapewnia jego stabilne spalanie;

• wytwarzają mniej rozprysków stopionego metalu niż transformatory spawalnicze.

Poszerza to możliwości spawania, pozwala niezawodnie łączyć stopy stali nierdzewnej i metale nieżelazne.

Prąd inwertera do spawania

Falowniki spawalnicze to urządzenia, które wykonują krok po kroku konwersję energii elektrycznej według następującego algorytmu:

1. elektryczność przemysłowa 220 lub 380 woltów jest zmieniana przez prostownik;

2. powstające szumy technologiczne są wygładzane za pomocą wbudowanych filtrów;

3. stabilizowana energia jest zamieniana na prąd o wysokiej częstotliwości (od 10 do 100 kHz);

4. transformator wysokiej częstotliwości obniża napięcie do wartości niezbędnej do stabilnego zajarzenia łuku elektrodowego (60 V);

5. Prostownik wysokiej częstotliwości przetwarza energię elektryczną na prąd stały do ​​spawania.

Każdy z pięciu stopni falownika jest automatycznie sterowany przez specjalny moduł tranzystorowy serii IGBT w trybie sprzężenia zwrotnego. Układ sterowania oparty na tym module należy do najbardziej skomplikowanych i kosztownych elementów falownika spawalniczego.

Kształt prądu wyprostowanego wytwarzanego dla łuku przez falownik jest praktycznie zbliżony do idealnej linii prostej. Pozwala na wykonywanie wielu rodzajów spawania na różnych metalach.

Dzięki mikroprocesorowemu sterowaniu procesami technologicznymi zachodzącymi w falowniku, pracę spawacza znacznie ułatwia wprowadzenie funkcji sprzętowych:

• gorący start (tryb Hot start) poprzez automatyczne zwiększenie prądu na początku spawania w celu ułatwienia zajarzenia łuku;

• anti-stick (tryb Anti Stick), gdy w momencie, gdy elektroda dotyka spawanych części, wartość prądu spawania spada do wartości, które nie powodują stopienia metalu i przyklejenia się do elektrody;

• wymuszanie łuku (tryb Arc force), gdy duże krople stopionego metalu są oddzielane od elektrody, gdy długość łuku jest skracana i istnieje możliwość sklejenia.

Te cechy pozwalają nawet początkującym na wykonywanie wysokiej jakości spoin. Spawarki inwertorowe działają niezawodnie przy dużych wahaniach wejściowego napięcia sieciowego.

Urządzenia inwerterowe wymagają ostrożnego obchodzenia się i ochrony przed kurzem, który w przypadku naniesienia na elementy elektroniczne może zakłócić ich pracę, doprowadzić do pogorszenia odprowadzania ciepła i przegrzania konstrukcji.

W niskich temperaturach na płytach modułów może pojawić się kondensacja. Spowoduje to uszkodzenia i nieprawidłowe działanie. Dlatego falowniki przechowuje się w ogrzewanych pomieszczeniach i nie współpracuje z nimi w czasie mrozów czy opadów.