Spawarka_impulsowa_TIG.pdf

Spawarka impulsowa do spawania metodą TIG

P R O J E K T Y

Spawarka impulsowa

do spawania metodą TIG

Budow¹ urz¹dzeÒ

podobnych do opisanego

w†artykule zajmuje siÍ

stosunkowo niewielu

elektronikÛw. Informacje

praktyczne, niezbÍdne do

ìpanowania" nad duøymi

pr¹dami, s¹ trudno dostÍpne

w†krajowej literaturze. Jest

wiÍc niebywa³a okazja do

poznania tajnikÛw budowy

i†dzia³ania nowoczesnego

urz¹dzenia spawalniczego.

Rekomendacje : projekt

z†pogranicza elektryki

i elektroniki, ktÛry szczegÛlnie

polecamy Czytelnikom

podejmuj¹cym prÛby

samodzielnej budowy

sterownikÛw do spawarek

i†innych urz¹dzeÒ

wysokopr¹dowych.

Spawarka do spawania metod¹

TIG (w os³onie gazu obojÍtnego)

jest przeznaczona do ³¹czenia me-

tali szlachetnych, miedzi i†stopÛw

miedzi, stali nierdzewnych i†wÍg-

lowych. Nadaje siÍ rÛwnieø do

lutowania twardego (temperatura

topnienia spoiwa wynosi powyøej

500 o C), gdy lutowie jest stopem,

ktÛrego g³Ûwnym sk³adnikiem jest

srebro. Urz¹dzeniem tym nie moø-

na spawaÊ aluminium, gdyø w†ta-

kim przypadku na wyjúciu spawar-

ki jest wymagany pr¹d przemienny.

Do ochrony elektrody i†obszaru

nadtopionego metalu powszechnie

stosowany jest argon (Ar). Nato-

miast elektroda wykonana jest

z†wolframu z†niewielkim dodat-

kiem takich pierwiastkÛw†jak thor

(Th), itr (Y) i†innych. Elektroda

wolframowa stosowana w†metodzie

spawania TIG jest czÍsto opisywa-

na w†literaturze fachowej jako

ìnietopliwaî, co jest tylko czÍú-

ciowo (teoretycznie) prawdziwe,

bowiem ulega zuøyciu wskutek

duøej gÍstoúci pr¹du wyjúciowego,

tzn. zbyt duøego pr¹du roboczego

w†stosunku do úrednicy elektrody

(po prostu stapia siÍ), b¹dü ulega

zuøyciu wskutek zanieczyszczeÒ

zawartych w argonie. £uk elekt-

ryczny, stanowi¹cy ürÛd³o ciep³a,

jarzy siÍ pomiÍdzy elektrod¹ wol-

framow¹ a†materia³em spawanym,

powoduj¹c jego nadtopienie

w†miejscu ³¹czenia. Spawanie od-

bywa siÍ poprzez nadtopienie kra-

wÍdzi ³¹czonych detali bez uøycia

materia³Ûw dodatkowych albo z†ich

uøyciem. Sk³ad metalurgiczny ma-

teria³u dodatkowego jest zbliøony

lub taki sam, jak materia³u spa-

wanego.

PostÍp w†technologii wytwa-

rzania elementÛw energoelektro-

nicznych (tyrystory, tranzystory

Dane techniczne

✓ zasilanie: 220V/50 Hz,

✓ napiêcie biegu ja³owego: 68 V,

✓ maks. pr¹d spawania: 140 A,

✓ min. pr¹d spawania: 20 A,

✓ zakres regulacji pr¹du bazowego (Ib): 20 do 140 A,

✓ zakres regulacji pr¹du impulsu (Ii): 20 do 140 A,

✓ zakres regulacji czasu przerwy pomiêdzy

impulsami (tp): 0,06 do 1 s,

✓ zakres regulacji czasu impulsu (ti): 0,06 do 1 s,

✓ opóŸnienie wyp³ywu gazu: 5 s,

✓ wydatek gazu ochronnego: 8 do 12 l/min.

(argon),

✓ inicjacja ³uku spawalniczego: poprzez

zwarcie elektrody wolframowej do materia³u

spawanego,

✓ wymiary: szer. 200, wys.250, d³. 445 mm,

✓ waga: 25 kg.

Elektronika Praktyczna 12/2003

Spawarka impulsowa do spawania metodą TIG

spawarka parametrami nie odbie-

ga³a od analogicznych wyrobÛw

fabrycznych.

Rys. 1. Zależność pomiędzy

napięciem a prądem przy różnych

wartościach prądu spawania

Budowa spawarki do

spawania rÍcznego

Spawanie rÍczne elektrodami

otulonymi (do niedawna najpo-

wszechniejsza metoda ³ukowego

³¹czenia metali) wymaga ürÛde³

pr¹du (zarÛwno sta³ego, jak i†prze-

miennego) o†silnie opadaj¹cej sta-

tycznej charakterystyce wyjúciowej.

Na rys. 1 przedstawiono zaleønoúÊ

miÍdzy napiÍciem a†pr¹dem przy

rÛønych wartoúciach pr¹du spawa-

nia. Symbolem Uo oznaczono na-

piÍcie biegu ja³owego - zwykle

mieúci siÍ w†zakresie od 48 do

70†V i†jest takie samo co do

wartoúci w†ca³ym zakresie regula-

cji. Pr¹dy Iz1...Iz4 oznaczaj¹ pr¹dy

zwarcia dla rÛønych nastaw. Na-

tomiast napiÍcie spawania (Usp)

wyliczono empirycznie dla spawa-

rek do rÍcznego spawania ³ukowe-

go elektrodami otulonym i†wynosi

Usp [V] = 20 + 0,04 Isp, z†czego

wynika, øe np. przy 100-ampero-

wym pr¹dzie spawania napiÍcie

spawania jest rÛwne 24 V. Jedn¹

z†najprostszych metod regulacji

pr¹du spawania w†transformatorze

jest regulacja z†przemieszczanym

mechanicznie tzw. bocznikiem

magnetycznym wprowadzanym

w†obwÛd magnetyczny transforma-

tora spawalniczego. Taki transfor-

mator bÍdzie uøyty do budowy

spawarki IMPULSTIG, i†w†modelo-

wym wykonaniu zastosowano

transformator ze spawarki Besterek

1600, produkowanej przez firmÍ

ìBesterî z†Bielawy.

Rys. 2. Przebieg prądu spawania

w funkcji czasu w metodzie

IMPULSTIG

duøej mocy) umoøliwi³ budowÍ

spawarek do spawania metod¹

TIG, w ktÛrej pr¹d spawania

zmienia siÍ w†czasie, przy czym

zarÛwno parametry pr¹dowe, jak

i†czasowe spawarki moøna regu-

lowaÊ w†szerokim zakresie. W†li-

teraturze fachowej takim urz¹dze-

niom nadano nazwÍ IMPULSTIG

lub PULSTIG. Impulsowe spawa-

nie TIG umoøliwia wprowadzenie

do spoiny znacznie mniejszych

iloúci ciep³a, uzyskuj¹c ten sam

efekt, co dla zwyk³ej spawarki

TIG. Ponadto, szczegÛlnie przy

wykonywaniu konstrukcji ze stali

nierdzewnych z†zastosowaniem

spawania impulsowego, deforma-

cja konstrukcji wskutek naprÍøeÒ

termicznych jest znacznie mniej-

sza. Metoda impulsowa umoøli-

wia rÛwnieø spawanie detali o†ma-

³ym przekroju i†znacznie rÛøni¹-

cych siÍ gruboúci¹ úcianek. Dla

przyk³adu: opisan¹ spawark¹ po-

³¹czono p³ytkÍ gruboúci 0,6 mm

z†rurk¹ o†gruboúci úcianki 2†mm

wykonan¹ ze stali nierdzewnej

oraz pospawano dwie p³ytki

o†gruboúci 0,5 i†1†mm, a†takøe

wykonano termoogniwa pomiaro-

we z†drutu platynowego o†úredni-

cy 0,8 mm.

W†przekonaniu, øe czÍúÊ Czy-

telnikÛw jest zainteresowana bu-

dow¹ spawarki impulsowej TIG

oraz ze wzglÍdu na wysok¹ cenÍ

podobnych fabrycznych wyrobÛw,

przedstawiam przyk³ad wykona-

nia samodzielnie takiego urz¹dze-

nia. Jego konstrukcjÍ zaplanowano

tak, aby ponieúÊ jak najmniejsze

koszty materia³Ûw i†robocizny

z†uwzglÍdnieniem ³atwoúci dostÍ-

pu do poszczegÛlnych podzespo-

³Ûw, staraj¹c siÍ przy tym, aby

rÛwno wartoúÊ pr¹du bazowego, jak

i†impulsu moøna p³ynnie regulo-

waÊ w†pe³nym zakresie. Czas trwa-

nia impulsu (ti) jest p³ynnie regu-

lowany, tak samo reguluje siÍ czas

trwania przerwy miÍdzy impulsami

(tp). W†spawarkach TIG i†IMPUL-

TIG uzyskuje siÍ znacznie mniejsze

minimalne pr¹dy spawania niø przy

spawaniu elektrodami otulonymi.

Po przytoczeniu podstawo-

wych informacji dotycz¹cych bu-

dowy i†dzia³ania spawarek do

spawania rÍcznego elektrodami

otulonymi i†metod¹ impulsow¹

TIG, poniøej przedstawiam opis

budowy spawarki do spawania

impulsowego TIG.

Schemat blokowy

Na rys. 3 przedstawiono sche-

mat blokowy spawarki impulsowej

TIG. Transformator spawalniczy Ts

pochodzi ze spawarki Besterka

1600 i†zasilany jest z†sieci 220 V

poprzez wy³¹cznik W1. Moøna

uøyÊ kaødego innego transformato-

ra spawalniczego, pod warunkiem

øe regulacja pr¹du spawania od-

bywa siÍ za pomoc¹ bocznika

magnetycznego. Bocznik magne-

tyczny naleøy usun¹Ê z†rdzenia

transformatora, gdyø funkcjÍ regu-

latora pr¹du spawania przejm¹

tyrystory Ty1 i†Ty2, ktÛre z†dio-

dami D1 i†D2 stanowi¹ prostownik

pe³nookresowy duøej mocy. UøyÊ

naleøy tyrystorÛw o†pr¹dzie prze-

wodzenia min. 150 A i wstecznym

napiÍciu min. 200 V. Takie same

wymagania dotycz¹†diod D1 i†D2.

Elementy te naleøy umieúciÊ na

radiatorach ch³odzonych przez

wentylator. Wentylator musi rÛw-

nieø usun¹Ê ciep³o†wytworzone

w†transformatorze spawalniczym.

Diody D3 i†D4 (wykorzystano mos-

Budowa spawarki do

spawania impulsowego

Podobnie jak do spawania rÍcz-

nego elektrodami otulonymi, spa-

warka do spawania impulsowego

ma silnie opadaj¹c¹ wyjúciow¹ cha-

rakterystykÍ statyczn¹. RÛøni¹ siÍ

one jedynie tym, iø w†czasie spa-

wania pr¹d†zmienia swoj¹ wartoúÊ

wed³ug wczeúniej dokonanych

przez uøytkownika nastaw. Na rys.

2 zobrazowano przebieg pr¹du spa-

wania w†funkcji czasu w†metodzie

IMPULSTIG. Symbolem Ib ozna-

czono pr¹d†bazowy (zwykle nie jest

mniejszy niø 10 A), natomiast pr¹d

impulsu symbolem Ii (maksymalnie

osi¹ga wartoúÊ najwyøsz¹ dla da-

nego ürÛd³a pr¹du spawania). Za-

Elektronika Praktyczna 12/2003

Spawarka impulsowa do spawania metodą TIG

tek prostowniczy o†pr¹dzie 25 A)

za³¹czane stykami S1 i†S2 przekaü-

nika P1 wraz z†opornikiem druto-

wym R1 i†R2 oraz kondensatorem

C1 stanowi¹ elementy obwodu

znacznie poprawiaj¹cego stabilnoúÊ

³uku spawalniczego.

Transformator Tr1 o†napiÍciu

wyjúciowym 24 i†12 V†s³uøy do

zasilania bloku elektroniki, elek-

trozaworu gazu oraz sterowania

funkcj¹ start-stop procesu spawa-

nia. Poniewaø zarÛwno bezpoúred-

nio przed jak i†po zakoÒczeniu

spawania na elektrodzie wolfra-

mowej nie moøe wystÍpowaÊ na-

piÍcie, uzyskano to poprzez od-

powiednie wysterowanie tyrysto-

rÛw. Z†tego wynika, øe tyrystory

spe³niaj¹ podwÛjn¹ rolÍ: regulato-

ra i†wy³¹cznika pr¹du spawania.

Do bieguna ujemnego prostownika

mocy jest pod³¹czony przewÛd

pr¹dowy palnika TIG. Palnik ma

z³oøon¹ mechanicznie budowÍ

(³atwo osi¹galny jest w†hurtow-

niach artyku³Ûw spawalniczych).

Wewn¹trz niego umieszcza siÍ

w†specjalnej miedzianej tulei elek-

trodÍ wolframow¹ zakoÒczon¹

z†jednej strony dysz¹ ceramiczn¹,

a†z†drugiej zakrÍcan¹ obsadk¹

z†uszczelk¹. Do palnika doprowa-

dzony jest w¹ø igelitowy do do-

starczenia gazu ochronnego oraz

2-øy³owy przewÛd sterowniczy

pod³¹czony do mikrowy³¹cznika

Wp umieszczonego w†rÍkojeúci

palnika. Wy³¹cznik ten steruje

w³¹czaniem i wy³¹czaniem spawa-

nia poprzez przekaünik ma³ej mo-

cy P2, ktÛrego cewka zasilana jest

z†oddzielnego uzwojenia (12 V)

transformatora Tr1, co wynika

z†koniecznoúci galwanicznego od-

dzielenia obwodu sterowania od

innych obwodÛw elektrycznych.

Do bieguna dodatniego pros-

townika mocy pod³¹czony jest

przewÛd miedziany o†przekroju

32 mm 2 (w†izolacji gumowej), za-

koÒczony imakiem lub zaciskiem

sprÍøynowym -†pod³¹czany jest do

materia³u spawanego, tzw. masy.

Gaz ochronny (argon) czerpany

jest z†butli poprzez reduktor gazu,

ktÛry jest zaopatrzony w†przep³y-

womierz, i†poprzez w¹ø gumowy

(lub igelitowy) dostarczany do

krÛÊca zamocowanego w†obudo-

wie spawarki. Wewn¹trz spawarki

gaz przep³ywa poprzez elektroza-

wÛr, ktÛry wy³¹cza siÍ po ok.

5†s†od momentu zakoÒczenia spa-

Rys. 3. Schemat blokowy spawarki TIG

wania. Ma to na celu ochronÍ

gor¹cej jeszcze elektrody wolfra-

mowej i†niezastyg³ego jeziorka

ciek³ego metalu przed utleniaj¹-

cym wp³ywem powietrza.

Blok elektroniki steruje para-

metrami spawarki, tj. pr¹dem spa-

wania i†przebiegami czasowymi

impulsÛw - jest po³¹czony z†po-

tencjometrami umieszczonymi

w†p³ycie przedniej, ktÛrymi wp³y-

wa siÍ na parametry spawania.

Dioda LED úwieci w†takt wystÍ-

powania pr¹du impulsu.

Spawarki IMPULSTIG moøna

uøyÊ rÛwnieø do spawania elek-

trodami otulonymi. WÛwczas na-

leøy zmieniÊ palnik TIG na zwyk-

³y uchwyt spawalniczy, prze³¹cz-

nik rodzaju pracy Prp (rys. 4)

ustawiÊ w†odpowiednim po-

³oøeniu, a†potencjometry wartoúci

pr¹du ustawiÊ w†takim samym

po³oøeniu (eliminacja efektu pul-

sowania).

Na rys. 4 przedstawiono sche-

mat elektryczny spawarki. NapiÍ-

cie wtÛrne†z†transformatora Tr1

(po wyprostowaniu - mostek Pr1)

polaryzuje bazÍ tranzystora T1

poprzez dzielnik napiÍciowy

z³oøony z†opornikÛw R3 i†R4.

Tranzystory T1 i†T2 tworz¹ obwÛd

detektora ìzeraî napiÍcia sieci

zasilaj¹cej ( rys. 5 ). Kolektor tran-

zystora T2 jest pod³¹czony do

wejúÊ uk³adÛw scalonych US2

i†US3, ktÛre pracuj¹ w†konfiguracji

generatorÛw monostabilnych. Kaø-

dorazowo, gdy na wejúciu tych

uk³adÛw wyst¹pi zbocze opadaj¹-

ce, to na ich wyjúciach (wypro-

wadzenie 3) wyst¹pi¹ poziomy

wysokie, ktÛrych czas trwania

wynosi t H = 1,1 (PR1+R8)*C5 i†t H

= 1,1*(PR2+R10)*C6. Uzyskano

minimalny czas trwania impulsu

rÛwny 1,25 ms ( rys. 6 ) i†czas

maksymalny 7,81 ms ( rys. 7 ).

W†tym zakresie czasu moøna re-

gulowaÊ potencjometrami PR1

i†PR2 czas trwania wysokiego

poziomu na wyjúciu generatorÛw

US2 i†US3 (zbocze opadaj¹ce syg-

na³u wyjúciowego uaktywnia

uk³ad sterowania bramkami tyrys-

torÛw Ty1 i†Ty2), a†tym samym

umoøliwia regulacjÍ pr¹du wyj-

Elektronika Praktyczna 12/2003

Spawarka impulsowa do spawania metodą TIG

Rys. 4. Schemat elektryczny spawarki

Elektronika Praktyczna 12/2003

Spawarka impulsowa do spawania metodą TIG

Rys. 5. Przebieg napięcia na

wyjściu detektora zera sieci (jego

rolę spełniają tranzystory T1 i T2) −

przebieg na wejściach wyzwalają−

cych układów czasowych US2 i US3

úciowego spawarki. Potencjomet-

rem PR1 regulowany jest pr¹d

bazowy (Ib), natomiast potencjo-

metrem PR2 nastawiany jest

pr¹d†impulsu (Ii). Sygna³y wyj-

úciowe z†obwodÛw US2 i†US3 s¹

ìnegowaneî (odwracane) przez

tranzystory T3 i†T5, ktÛrych ko-

lektory s¹ ze sob¹ po³¹czone.

W†oparciu o†uk³ad scalony US6

(NE 555) jest zbudowany przerzut-

nik astabilny, ktÛrego zadaniem

jest generowanie impulsÛw steru-

j¹cych bezpoúrednio tranzystorem

T7, w†ktÛrego kolektorze jest

w³¹czone uzwojenie pierwotne

transformatora (Tr2) steruj¹cego

bramkami tyrystorÛw. Na wyjúciu

US6 (wyprowadzenie 3) uzyskano

przebieg prostok¹tny o†czÍstotli-

woúci 1,74 kHz i†o†czasie trwania

impulsu ok. 47 mikrosekund ( rys.

8 ). Sterowanie bramkami tyrysto-

rÛw pakietem impulsÛw†daje gwa-

rancjÍ pewnego ich za³¹czenia. Do

bazy tranzystora T7 do³¹czone s¹

kolektory tranzystorÛw T3 i†T5,

ktÛre spe³niaj¹ rolÍ kluczy bloku-

j¹cych tranzystor T7. Uzwojenie

wtÛrne transformatora Tr2 stano-

wi¹ dwa uzwojenia galwanicznie

od siebie oddzielone i†do³¹czone

miÍdzy bramkÍ i†katodÍ tyrysto-

rÛw Ty1 i†Ty2. Naleøy pamiÍtaÊ,

øe polaryzacja impulsu przy³oøo-

nego do bramki tyrystora jest

dodatnia wzglÍdem katody.

Uk³ady scalone US4 i†US5 pra-

cuj¹ jako przerzutniki monostabil-

ne w†po³¹czeniu kaskadowym za-

mkniÍtym. Oznacza to, øe opada-

j¹ce zbocze sygna³u wyjúciowego

jednego z†przerzutnikÛw uaktyw-

nia wejúcie drugiego przerzutnika.

Zaleønoúci na czas trwania

impulsu (t H ) s¹ takie same, jak

w†przypadku uk³adÛw US2 i†US3.

Czas trwania impulsu wyjúciowe-

go kaødego z†dwÛch przerzutni-

kÛw moøna regulowaÊ p³ynnie

w†zakresie od 0,06 do 1†sekundy.

Potencjometrem PR3 regulowany

jest czas przerwy pomiÍdzy im-

pulsami, natomiast potencjomet-

rem PR4 reguluje siÍ czas trwania

impulsu pr¹du spawania. Dioda

LED, umieszczona na p³ycie

czo³owej spawarki, úwieci siÍ

podczas trwania impulsu. Ele-

menty D6, C17 i†R17 umoøliwiaj¹

pewn¹ pracÍ generatora. Wyjúcia

uk³adÛw US4 i†US5 steruj¹ ba-

zami tranzystorÛw T6 i†T4, ktÛre

(zgodnie z†nastaw¹ czasow¹) klu-

Rys. 8. Przebieg napięcia na

wyjściu układu US6

czuj¹ tranzystory T3 i†T5. Styki

prze³¹cznika rodzaju pracy Prp

dla trybu spawania elektrod¹ otu-

lon¹ zwieraj¹ do masy bazÍ tran-

zystora T8, tym samym uniemoø-

liwiaj¹c w³¹czenie elektrozaworu

gazu, a†drugi zespÛ³ stykÛw Prp

za³¹cza przekaünik P3. W†obwo-

dzie sterowania jest wy³¹cznik

termiczny Wt.

Stabilizator napiÍcia US1

(Ul7812) zaopatrzony jest w†radia-

tor z†blachy aluminiowej o†gruboú-

ci 2†mm o†powierzchni ok. 8†cm 2 .

Transformator Tr2 wykonany

jest z†kszta³tek typu EI o†powierz-

chni kolumny úrodkowej rÛwnej

1†cm 2 . Doskonale nadaj¹ siÍ do

wykorzystania transformatory

montowane w†tarczowych apara-

tach telefonicznych (produkowa-

nych przed laty przez RWT Ra-

dom), ktÛrych karkasy przystoso-

wane s¹ do montaøu na p³ytce

drukowanej. Uzwojenie pierwotne

naleøy wykonaÊ drutem DNE 0,2

- 100 zwojÛw, natomiast uzwo-

jenia wtÛrne maj¹ po 70 zwojÛw

drutem DNE 0,2. Naleøy zadbaÊ

takøe o†staranne odizolowanie od

siebie poszczegÛlnych uzwojeÒ.

Diody D9 i†D10 s¹ polaryzowane

zaporowo w†stosunku do polary-

zacji impulsu wyjúciowego trans-

formatora Tr2. Przed montaøem

tych diod niezbÍdne staje siÍ

uøycie oscyloskopu w†celu okreú-

lenia polaryzacji impulsu. Zaleca

siÍ stosowanie podstawek pod

uk³ady scalone US2...US6. Trans-

formator Tr1 220/24/12 V†ma moc

ok. 20 VA.

Rys. 6. Najkrótszy czas impulsu

uzyskiwany na wyjściu generatorów

monostabilnych wynosi 1,25 ms

(przebieg na wyjściach układów

scalonych US2 i US3 przy

minimalnym prądzie wyjściowym

spawarki)

Rys. 7. Najdłuższy czas impulsu

uzyskiwany na wyjściu generatorów

monostabilnych wynosi 7,81 ms

(przebieg na wyjściach układów

scalonych US2 i US3 przy

maksymalnym prądzie wyjściowym

spawarki)

Montaø i†uruchomienie

Duøe trudnoúci moøe sprawiÊ

wykonanie obudowy. Powinna

byÊ wykonana z†blachy, np. sta-

lowej, i†musi byÊ stabilna mecha-

Elektronika Praktyczna 12/2003

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: