201301_PSpaw_fi87.pdf 40 Przegląd sPawalnictwa 1/2013 Krzysztof Skrzyniecki Paweł egielski ndrzej Kolasa Paweł Kołodziejczak Charakterystyki statyczne nowoczesnych urządzeń do spawania łukowego static characteristics of modern arc welding equipment gr inż rzy zto Skrzyniecki dr inż Paweł Cegiel ki dr a inż ndrze ola a pro P dr inż Paweł ołodzie czak Politechnika Warszawska. Stre zczenie naliza charakterystyk statycznych jest jedną z nie- wielu metod określania właściwości spawalniczych źródeł zasilających. Znajduje szerokie zastosowanie w odniesie- niu do urządzeń transformatorowych i konwencjonalnych prostowników. Nowoczesne zasilacze inwertorowe z wbu- dowanymi układami regulacji, umożliwiającymi zaprogra- mowanie przebiegu charakterystyk statycznych, przeważ- nie z łatwością spełniają stawiane im, z punktu widzenia przebiegu procesu spawania, kryteria jakościowe. Jed- nak urządzenia te różnią się między sobą właściwościa- mi użytkowymi, a określane w odpowiedni sposób cha- rakterystyki statyczne nadal mogą być cennym źródłem informacji dotyczących właściwości technologicznych. W artykule przedstawiono wyniki badań charakterystyk statycznych urządzeń inwertorowych do spawania elek- trodą otuloną oraz metodą MIG/M G. tract nalysis of static characteristics is one of the few me- thods for the determination of the welding power sour- ce, is widely used for transformer units and con entional chargers. Modern power in erter with built-in control, allo- wing programming of static characteristics and meet the uality criteria in accordonce to the process of welding. owe er, these de ices differ in functional properties, as de ned in an appropriate way static characteristics can still be a aluable source of information on technological properties. his paper presents the results of static cha- racteristics in erter e uipment for MM welding and MIG/ M G welding. t p Opinia na temat właściwości użytkowych urzą- dzeń spawalniczych może być różna. Z użyciem pewnych urządzeń pracuje się łatwiej, inne wyma- gają pewnej wprawy w posługiwaniu się nimi, jesz- cze innymi trudno jest przeprowadzić skutecznie proces spawania. ównież pod kątem jakości wy- konywanego złącza zasilacze spawalnicze różnią się pomiędzy sobą. Pojawia się pytanie, jakie cechy i parametry zasilaczy spawalniczych wpływają na ich przydatność oraz komfort pracy. Jedną z niewielu me- tod określania właściwości urządzeń spawalniczych jest wyznaczanie ich zewnętrznych charakterystyk sta- tycznych. PN- N 60 74-1 określa wymagania bezpieczeń- stwa dotyczące konstrukcji i użytkowania spawalni- czych źródeł energii do spawania łukowego i proce- sów pokrewnych. Wśród wielu parametrów de niuje także zewnętrzne charakterystyki statyczne jako za- leżność pomiędzy napięciem w stanie obciążenia i prądem spawania w umownych warunkach obcią- żenia w energetycznym i cieplnym stanie ustalonym, gdzie źródło obciążone jest praktycznie bezindukcyj- nym stałym obciążeniem rezystancyjnym o współ- czynniku mocy nie mniejszym niż 0, oraz de niuje ich główne typy: charakterystyka płaska napięciowa , gdzie przy wzroście natężenia prądu napięcie maleje mniej niż o 7 /100 lub wzrasta mniej niż 10 /100 , charakterystyka opadająca prądowa , gdzie przy wzroście natężenia prądu napięcie spada o ponad 7 /100 . Wspomniana norma nie opisuje jednak metody ani warunków pomiarów. Jako badania wyrobu wymie- nione są jedynie pomiary: znamionowego napięcia 41Przegląd sPawalnictwa 1/2013 w stanie jałowym, rezystancji izolacji, wytrzymałości dielektrycznej, pracy w stanie obciążenia. Pomiary pracy w stanie obciążenia obejmują badania prądu zwarcia w przypadku charakterystyki opadającej lub umownego prądu spawania w przypadku charaktery- styki płaskiej. Brak jest natomiast de nicji pomiaru cha- rakterystyk statycznych oraz opisu metody jego prze- prowadzenia. ównież specy kacje techniczne urządzeń spa- walniczych rzadko zawierają informacje dotyczące charakterystyki statycznej. Jeżeli są podawane, to w bardzo ogólnej, orientacyjnej formie. Ocena właściwości zasilaczy łuku spawalniczego na podstawie charakterystyk statycznych znajduje zastosowanie w odniesieniu do urządzeń transforma- torowych i konwencjonalnych prostowników. Nowo- czesne zasilacze inwertorowe z wbudowanymi ukła- dami regulacji, umożliwiającymi zaprogramowanie przebiegu charakterystyk statycznych, przeważnie z łatwością spełniają stawiane im z punktu widzenia przebiegu procesu spawania kryteria jakościowe. Jednak urządzenia te różnią się między sobą wła- ściwościami użytkowymi, a określane w odpowiedni sposób charakterystyki statyczne nadal mogą być cennym źródłem informacji dotyczących właściwości technologicznych. W dalszej części artykułu przed- stawiono wyniki badań charakterystyk statycznych urządzeń inwertorowych do spawania elektrodą otu- loną oraz metodą MIG/M G. Przedstawione wyniki prac badawczych i konstruk- cyjnych otrzymano w ramach pracy naukowej nan- sowanej ze środków budżetowych na naukę w latach 2010-2013 jako projekt badawczy 1, 2, 4, 5 . Pomiar c araktery tyk tatycznyc Zewnętrzna charakterystyka statyczna jest wykre- sem zależności napięcia generowanego przez źródło spawalnicze w zależności od prądu płynącego w ob- wodzie. Określenie statyczna odnosi się do stałej dłu- gości łuku 3 . by wyeliminować wszelkie zaburzenia oraz nierównomierności związane z łukiem elektrycz- nym, pomiary charakterystyki statycznej wykonuje się z zastosowaniem sztucznego obciążenia. Jest nim element o znanej, najlepiej nastawnej oporności, włą- czony pomiędzy zaciski wyjściowe badanego źródła. Zmieniając płynnie wartość oporności, można uzy- skać wykres charakterystyki statycznej. rudnością jest znalezienie odpowiedniego poten- cjometru zdolnego pracować przy prądach o wartości do kilkuset amperów oraz rozproszyć wytwarzaną przy tym energię bez jego uszkodzenia. Niekorzyst- ne warunki mogą wystąpić ze względu na możliwość iskrzenia pomiędzy elementami nastawnymi poten- cjometru. lternatywnym rozwiązaniem jest zastoso- wanie szeregu oporników o stałej oporności, jednak w tym przypadku nie jest możliwe uzyskanie charak- terystyki o ciągłym przebiegu. Otrzymuje się wówczas skończoną liczbę punktów pomiarowych, która odpo- wiada liczbie dostępnych oporników. Ilość punktów można znacząco zwiększyć, stosując odpowiednie połączenia równoległe oporników rys. 1 , zgodnie ze wzorem: 1 gdzie: w oporność wypadkowa stanowiąca obciążenie badanego urządzenie spawalniczego, 1 n dostępne oporności. Niedogodnością zastosowania szeregu oporników jest konieczność przerwy w pomiarze na czas prze- łączenia kolejnej oporności. by ją wyeliminować, w omawianych badaniach funkcję łączników pełnią tranzystory IGB sterowane przez komputerowy sys- tem pomiarowy 1, 2, 5, 6 . W konwencjonalnym podejściu urządzenie jest ko- lejno obciążane malejącą opornością rys. 2 , będącą połączeniem poszczególnych oporników. Pierwszy punkt obrazuje stan rozwarcia obwodu nieskończenie Ry 1 Schemat obciążeń uzyskanych z połączenia oporników, zastosowany w badaniach ig 1 oad diagram resulting from a combination of resistors, used in the study Ry 2 Dostępne obciążenia, będące kombinacją wybranych oporników ig 2 ailable load, which is a combination of the separate resi- stors op or no ść , O m 42 Przegląd sPawalnictwa 1/2013 dużą rezystancję. Wartości dostępnych oporności wy- nikają z zastosowanego układu połączenia równole- głego pięciu oporników oraz przewodu zwarciowego. Każdy z oporników może być dołączony do układu przez dołączenie odpowiadającego mu łącznika tran- zystorowego IGB . Odpowiedni dobór dołączonych oporności umożliwia uzyskanie oporności wypadko- wej obciążającej badane źródło spawalnicze. Można się spotkać z opinią, że współczesne urzą- dzenia inwertorowe, dzięki komputerowym systemom sterowania, mogą generować dowolne przebiegi prą- du i napięcia, a więc mają optymalne charakterystyki statyczne i nie ma potrzeby ich badania. Pogląd ten nie jest w pełni zasadny, gdyż właśnie takie systemy sterowania powodują różne reakcje źródeł zasilania w zależności od rodzaju obciążenia. Potwierdza to zmody kowany sposób pomiaru ich charakterystyk statycznych. Oprócz cyklu obciążania malejącymi opornościami wprowadzono dodatkowo cykl „po- wrotny”, obejmujący stopniowo rosnące oporności rys. 3 . Pierwszy i ostatni punkt obrazują nieskoń- czenie dużą oporność stan rozwarcia. Badania nie- których urządzeń wykazały nawet znaczne rozbież- ności pomiędzy charakterystykami uzyskanymi przy malejącym i rosnącym obciążeniu. Nie mogą one wy- nikać wyłącznie z nieliniowości elementów urządze- nia, lecz są raczej wynikiem przełączania się trybów sterowania, w zależności od stanu pracy. Ma to istot- ne znaczenie dla przebiegu spawania, który łączy się z występowaniem zwarć oraz innych zaburzeń. yniki ada Badaniami objęto cztery spawalnicze źródła zasi- lające: inwertorowe z prostym sterowaniem analogowym do spawania elektrodą otuloną, B inwertorowe ze sterowaniem cyfrowym do spawa- nia elektrodą otuloną, inwertorowe umożliwiające spawanie w trybie elek- trody otulonej i metodą MIG/M G, D transformatorowe do spawania metodą MIG/M G. Przedstawione przebiegi prezentują zarejestrowa- ne punkty, które zostały połączone liniami przerywany- mi w celu lepszego zobrazowania ich kolejności, na- tomiast stany pomiędzy punktami nie są zde niowane rys. 4 8 . Ma to szczególne znaczenie w pobliżu punk- tu zwarcia. Na charakterystykach naniesiono strzałki obrazujące kierunek zmian obciążenia dla wybranej krzywej. Strzałka ciągła oznacza przebieg przy wzro- ście obciążenia, przerywana przy spadku obciążenia rys 4 6 . Na rysunkach 7 i 8 krzywe te pokrywają się. rządzenia oraz B wykazują stałoprądową charakterystykę w zakresie obszaru pracy, określo- nego przebiegiem umownego napięcia spawania 20 0,04 I rys. 4, 5 , natomiast znacznie różnią się przebiegami przy zwarciu. W obu urządzeniach zasto- sowano układ ograniczający prąd zwarcia. rządzenia przechodzą w ten tryb po wykryciu właściwej oporno- ści obciążenia, a powracają do stanu pracy właściwej po wykryciu zbyt wysokiej oporności. Ma to szczegól- ne znaczenie w przypadku spawania ręcznego elek- trodą otuloną, podczas którego występują cykliczne Ry 3 Zmody kowany cykl obciążający, obejmujący malejącą oraz rosnącą rezystancję ig 3 Modi ed loading cycle, including decreasing and increasing resistance Ry 5 Zbiór charakterystyk statycznych urządzenia B do spawania elektrodą otuloną z powiększonym wycinkiem w obszarze zwarcia ig 5 Static characteristics bunch of de ice B for MM welding with an enhanced part in the circuit Ry 4 Zbiór charakterystyk statycznych urządzenia do spawania elektrodą otuloną z powiększonym wycinkiem w obszarze zwarcia ig 4 Static characteristics bunch of de ice for MM welding with an enhanced part in the circuit op or no ść , O m 43Przegląd sPawalnictwa 1/2013 skracanie łuku oraz zwarcia. Ograniczenie prądu i napięcia ma na celu ułatwienie prowadzenia elektrody w spawaniu ręcznym. W stanie zwarcia urządzenie takie przechodzi w tryb ograniczonego prądu oraz napięcia i pozosta- je w nim aż do momentu rozwarcia obwodu. W trybie tym urządzenie wykazuje charakterystykę opadającą działa jak rzeczywiste źródło napięcia z rezystancją wewnętrzną w 0,035 wycinek obszaru zwarcia widoczny na rysunku 4 , natomiast urządzenie B cha- rakterystykę stałoprądową źródło prądu wycinek ob- szaru zwarcia widoczny na rysunku 5 . harakterystykę statyczną urządzenia można opisać funkcjami: I In const w zakresie pracy, n z I w stanie zwarcia. harakterystykę statyczną urządzenia B można opisać funkcjami: I In const w zakresie pracy, I Isw const w stanie zwarcia. Podsumowując, oba urządzenia działają jak źró- dła prądu w czasie pracy, różnica pojawia się podczas zwarcia. rządzenie pracuje wtedy jak źródło napię- cia z wewnętrzną opornością, urządzenie B jak źródło prądu. Ze względu na ograniczoną liczbę dostępnych oporności obciążenia nie jest możliwe precyzyjne okre- ślenie, przy jakim obciążeniu następuje przełączenie pomiędzy zakresem pracy a zakresem zwarcia. Odmienne cechy wykazuje urządzenie w trybie spawania elektrodą otuloną, mające charakterystyki opadające ze zmieniającym się nachyleniem dla róż- nych nastaw rys. 6 . Przy niskiej wartości zadane- go prądu obserwowane są niewielkie rozbieżności, które maleją dla wyższych nastaw. harakterystyki te nie są liniowe, lecz zakrzywione: wklęsłe dla nastaw poniżej 120 , wypukłe dla nastaw powyżej 120 . rządzenie w trybie spawania metodą MIG/ M G wykazuje płaskie charakterystyki w zakresie ro- boczym określonym umownym napięciem spawania 15 0,05 I utrzymuje stałe napięcie niezależnie od prądu rys. 7 . rządzenie D, transformator z prostownikiem dio- dowym, wykazuje charakterystyki płaskie, jednak „gra- nicznie” stromo opadające. Jest to źródło napięcia o oporności wewnętrznej wynoszącej, dla poszcze- gólnych nastaw, kolejno w 0,07 ; 0,0 0; 0,103 . Punkt zwarcia leży dokładnie na linii charakterystyki: n ź I 2 Można więc przypuszczać, że dla oporności obcią- żenia pomiędzy 0,1 a 0,0 także spełnia powyższą zależność 2 . Ry 6 Zbiór charakterystyk statycznych urządzenia w trybie spa- wania elektrodą otuloną ig 6 Static characteristics bunch of de ice for MM welding Ry 7 Zbiór charakterystyk statycznych urządzenia w trybie spa- wania metodą MIG/M G ig 7 Static characteristics bunch of de ice for MIG/M G welding Ry 8 Zbiór charakterystyk statycznych urządzenia D do spawania metodą MIG/M G ig 8 Static characteristics bunch of de ice D for MIG/M G welding Pod mowanie Badania pokazały, że odpowiednio mierzone cha- rakterystyki statyczne nadal mogą być źródłem infor- macji o właściwościach spawalniczych źródeł ener- gii. Dotyczy to zarówno źródeł konwencjonalnych, jak i nowoczesnych urządzeń inwertorowych. Prezento- wane wyniki można było uzyskać dzięki nowatorskiej koncepcji zautomatyzowanego pomiaru ze sterowa- nym obciążeniem rezystancyjnym. 44 Przegląd sPawalnictwa 1/2013 Literat ra 1 egielski P., Kolasa ., Skrzyniecki K., Kołodziejczak P.: Komputerowy system do badań właściwości statycznych i dynamicznych źródeł energii elektrycznej do spawania łuko- wego. Przegląd Spawalnictwa 1/2012, s. 3- . 2 Kolasa ., egielski P., Skrzyniecki K.: harakterystyki sta- tyczne i dynamiczne układu źródło zasilania łuk, dla róż- nych metod spawania. Spajanie 3/2011, s. 36-3 . 3 Pierożek B., associński J.: Spawanie łukowe stali w osło- nach gazowych, WN Warszawa 1 87. 4 Projekt badawczy własny Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyż- szego nr N N503 20633 pt. Badanie zależności pomiędzy zjawiskami zachodzącymi w łuku spawalniczym w różnych odmianach metody M G a parametrami elektrycznymi układu łuk urządzenie spawalnicze. Kierownik: prof. nzw. dr hab. inż. ndrzej Kolasa. 5 Skrzyniecki K., Kolasa ., egielski P.: Badanie charakte- rystyk statycznych i dynamicznych układu źródło zasilania łuk. Przegląd Spawalnictwa 6/2011, s. 33-36. 6 Skrzyniecki K., Krajewski ., egielski P., udycz M., Kola- sa .: Zastosowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych do badania urządzeń i procesów spawalniczych. Prace Na- ukowe Politechniki Warszawskiej, Mechanika, z. 22 „Inno- wacje w technikach spajania”, s. 115-124, Warszawa 200 .