20 listopada 2017


W artykule przedstawimy podstawy fizyki spawania, które mogą być użyteczne do przygotowania algorytmów sterowania robota spawalniczego.

Ryszard Jastrzębski

Charakterystyki statyczne i charakterystyki dynamiczne łuku spawalniczego
W elektrotechnice bardzo chętnie posługujemy się wykresami. Na rysunku 1 pokazano japońskie charakterystyki prądowo-napięciowe łuku, w zależności od jego długości i charakterystyki szybkości stapiania drutu oraz charakterystyki spawarek.
W Europie stosuje się spawarki ze sztywną charakterystyką napięcia i samoregulacją długości łuku przy zmianie podawania drutu. W USA z kolei stosuje się spawarki z ustawianym prądem, czyli z opadającą charakterystyką napięciową i samoregulacją długości łuku poprzez sterownik silnika podawania drutu.
Przecięcie się charakterystyki łuku (odbiornika) z charakterystyką spawarki (zasilacza) daje parametry spawania. Podobnie przecięcie się charakterystyki szybkości podawania drutu z charakterystyką długości łuku daje nam punkt pracy spawarki MAG. Jeżeli ustalimy napięcie spawarki na E1 i szybkość podawania drutu na V1 to uzyskamy prąd I1 i długość łuku L1.

spawanie japonskie charakterystyki1a

Rys. 1a  Japońskie charakterystyki statyczne i dynamiczne łuku spawalniczego MAG [3,  8]:
punkt przecięcia się charakterystyki statycznej łuku z charakterystyką statyczną topienia drutu i z charakterystykami spawarek

Jak wynika z rysunku 1a, gdy zwiększymy szybkość podawania drutu z V1 na V2, aby nie zmienić długości łuku należy zwiększyć prąd z I1 do I3 i zwiększyć napięcie z E1 na E3. Jeżeli chcemy zmniejszyć długość łuku z L1 do L2, musimy zmniejszyć napięcie z E3 do E1 i zmniejszyć prąd z I3 do I2. Z reguły spawarki posiadają regulację synergiczną, która działa tak, że gdy zmieniamy nastawienie pokrętła prądu automatycznie zmienia się napięcie, a przy zmienianiu ustawienia pokrętła napięcia automatycznie ustawia się prąd. Taka automatyczna regulacja wymaga informacji o krzywych szybkości stapiania się elektrody w zależności od jej średnicy i metody spawania (Rys. 1b).
Aby uniknąć przyklejeń należy przy spawaniu tradycyjnymi spawarkami drutem litym nie przekraczać wolnego wylotu elektrody równego dziesięciu średnicom drutu spawalniczego, ą przy drucie rurkowym proszkowym nie należy przekraczać dwudziestu średnic drutu spawalniczego. Istnieją również spawarki elektroniczne, które pozwalają się wtapiać przy wolnym wylocie elektrody drutu litego równym 50 mm.
Z punktu widzenia elektrycznego, po zajarzeniu się łuku rośnie ilość jonów (maleje oporność), a wraz ze wzrostem prądu maleje napięcie. Gdy prąd jest wystarczająco duży, pole magnetyczne zaciska łuk, zwiększając napięcie wraz ze wzrostem prądu. W części narastającej łuku w zależności od napięcia mamy zwarciowe przenoszenie metalu 135-D, kroplowe przenoszenie metalu 135-G, natryskowe przenoszenie metalu 135-S i łuk wirujący 135-R. Ze względu na rywalizację efektu powstawania jonów i zaciskania łuku ze wzrostem prądu najpierw zakres regulacji napięcia rośnie, osiąga wartość maksymalną przy łuku natryskowym 135-S i następnie zawęża się. Przy wzroście prądu łuku natryskowego, ze względu na to, że łuk ma kształt dyfuzora, powstaje efekt ssący, który odrywa coraz mniejsze krople, schładzając łuk większą powierzchnią i dodatkowo zaciskając go. Zbyt wąski łuk przy dużym napięciu będzie chciał zwiększać powierzchnię boczną, co prowadzi do wygięcia i wirowania łuku. Łuk wirujący przy wąskiej szczelinie może nacierać na blachę w szczelinie pod kątem 60 stopni i skutecznie się wtapiać. Jednak zbyt wąski zakres zmian napięcia powoduje, że spawanie wąskoszczelinowe wałów turbin można wykonywać tylko automatycznie.

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 12 (99) grudzień 2015