Przystawka do spawania aluminiumR metodÄ… TIG
P O J E K T Y
Przystawka do spawania
aluminium metodÄ… TIG,
część 1
W moim poprzednim artykule
(EP12/03) opisałem budowę
spawarki TIG DC, którą można
spawać wiele metali z wyjątkiem
aluminium. UrzÄ…dzenie do
spawania aluminium metodÄ…
TIG AC (prÄ…d przemienny) jest
bardziej złożone w budowie niż
urządzenie TIG DC (prąd stały) Duże zapotrzebowanie na spa- też zmiennego pola magnetycznego
warki, zarówno do produkcji jak skończyło się wyłącznie na ekspe-
i proces spawania aluminium
i do regeneracji wyrobów alumi- rymentach laboratoryjnych. Opty-
jest na tyle specyficzny, że
niowych skłoniło producentów do malnym rozwiązaniem do spawania
metal ten w trakcie spawania
poszukiwania rozwiązań konstruk- aluminium okazało się zastosowanie
cyjnych spawarek tak, aby zaspo- prÄ…du przemiennego i podobnie jak
nie zmienia swojej barwy,
koić oczekiwania odbiorców. Nieste- w metodzie TIG DC, spawarki te
a także wymagane jest usuwanie
ty, w dalszym ciÄ…gu urzÄ…dzenia do majÄ… silnie opadajÄ…cÄ… statycznÄ… cha-
z powierzchni spawanej tlenków
spawania metodą TIG AC będące rakterystykę zewnętrzną. Do spawa-
aluminium. w handlu sÄ… drogie. nia aluminium metodÄ… TIG zastoso-
Aluminium to materiał zaliczany wano transformator spawalniczy do
Rekomendacje:
do grupy metali półszlachetnych, spawania elektrodami otulonymi.
przedstawiamy opis budowy
o temperaturze topnienia ok. 660°C, Praktycznie w caÅ‚ej Polsce jest
przystawki TIG AC/DC, aby
posiada bardzo dobrą przewodność już w sieci energetycznej napięcie
cieplnÄ… i elektrycznÄ… i po oczysz- zgodne z wymogami Unii Europej-
chętni posiadający nawet
czeniu pokrywa siÄ™ natychmiast skiej (odpowiednio 230 V dla jednej
skromne możliwości finansowe
w reakcji z tlenem zawartym w po- fazy i 400 V dla napięcia między-
jak i techniczne, mogli wejść
wietrzu, cienką warstwą tlenków fazowego), jednakże w opisie będę
w posiadanie takiego urządzenia. aluminium (AlO). Warstwa tlenków posługiwał się  poprzednimi napię-
aluminium skutecznie chroni alu- ciami (odpowiednio 220 i 380 V).
minium przed dalszym utlenianiem. Podniesienie napięcia w sieci ener-
Temperatura topnienia tlenku alumi- getycznej o ok. 5% nie ma znacze-
nium wynosi ok. 2500°C. nia dla tej konstrukcji.
Ze względu na konieczność usu- Na rys. 1 przedstawiono uprosz-
nięcia tlenków aluminium w trakcie czony schemat elektryczny spawarki
PODSTAWOWE PARAMETRY
spawania, spawarki TIG AC majÄ… TIG AC. Transformator spawalniczy
" max. prÄ…d spawania AC - 400 A
dość złożoną budowę. Podejmowa- TS jest zasilany z sieci 380 V, a re-
" max. prÄ…d spawania DC - 400 A
ne próby usuwania tlenków alumi- gulacja prądu spawania odbywa się
" napięcie biegu jałowego transformatora
nium podczas spawania przy uży- za pomocą mechanicznie przemiesz-
spawalniczego - 70 V
ciu głowic ultradz
więkowych czy czanego bocznika magnetycznego.
" napięcie biegu jałowego prostownika spa-
walniczego  70 V
" gaz ochronny - argon, czystość 99,999%,
handlowy symbol czystości:  5,0 przy
spawaniu aluminium, a 99,996% przy
spawaniu prądem stałym:  4,6
" ciśnienie cieczy chłodzącej  0,2 MPa
" opóz
nienie wypływu gazu  6 do 15 sek.
" eleminacja składowej stałej prądu spawania
 ręcznie (potencjometrem).
Wartość maksymalna prądu spawania zależy
od prądu przewodzenia tyrystorów mocy,
przekrojów instalacji  wysokoprądowej
w przystawce oraz od zastosowanego palnika
TIG.
Rys. 1. Schemat blokowy spawarki TIG AC
Elektronika Praktyczna 10/2006
27
Przystawka do spawania aluminium metodÄ… TIG
TrWN. Na czas spawania załączony framowej występuje biegun ujemny,
jest również opornik R. Warystor to 30% ciepła wydziela się na elek-
W chroni tyrystory przed przepięcia- trodzie, a 70% ciepła na materia-
mi z obwodu transformatora wyso- le spawanym. Natomiast, w sytuacji
kiego napięcia. W trakcie spawania odwrotnej, gdy biegun dodatni jest
aluminium elektrodą wolframową na elektrodzie, to 70% ciepła wystę-
prÄ…dem przemiennym powstaje szko- puje na elektrodzie, a 30 % na ma-
dliwe zjawisko tzw. składowej stałej teriale spawanym. W tym przypadku
prądu spawania (SS), które koniecz- występuje bardzo pożądane zjawisko
nie należy wyeliminować. Zjawisko tzw. rozpylenia katodowego (usu-
składowej stałej prądu spawania ma wania z obszaru spawania) tlenków
Rys. 2. Przebieg prÄ…du dla typowych swoje z
ródło w niesymetrycznym aluminium. W takiej konfiguracji bie-
odbiorników energii rozkładzie mocy w czasie pełnego gunowości tworzy się na powierzch-
okresu (T) sieci zasilającej. ni spawanego materiału w obszarze
Na rys. 2 przedstawiono syme- łuku spawalniczego ścieżka wolna
tryczny rozkład prądu w pełnym od tlenków aluminium, szerokość
okresie T, dla takich odbiorników której zależy od natężenia prądu
jak żarówka czy też transformator spawania. Zjawisko to praktycznie
itp. W tym przypadku suma alge- umożliwia spawanie aluminium. Ar-
braiczna prądów I i (-I ) jest gon, obojętny gaz osłonowy, chroni
max max
równa zero. obszar nadtopionego metalu przed
Na rys. 3 przedstawiono przebieg utlenieniem. Upraszczając, można
asymetryczny, jakim jest łuk spa- przedstawić proces spawania alumi-
walniczy TIG AC. Okazuje się, że nium prądem przemiennym w ten
suma algebraiczna prądu I i (-I ) sposób, że w ciągu jednej sekundy
max max
Rys. 3. Przebieg prądu w łuku spa- jest różna od zera. Ta różnica ("I) (przy częstotliwości 50 Hz) występu-
walniczym powoduje pojawienie się składowej je na przemian 50 razy proces spa-
stałej prądu spawania, co skutkuje wania aluminium i 50 razy zjawisko
Po stronie wtórnej transformatora podmagnesowaniem rdzenia transfor- rozpylania (usuwania) tlenków alu-
spawalniczego TS, w szereg z ob- matora spawalniczego. Wówczas łuk minium. Likwidację składowej stałej
wodem spawania włączony jest ze- spawalniczy jest niestabilny. Przy- prądu spawania uzyskuje się po-
spół dwóch tyrystorów dużej mocy czyna powstawania składowej stałej przez wprowadzenie w szereg w ob-
(Ty1 i Ty2) oraz uzwojenie wtórne prądu spawania bierze się stąd, że wód spawania baterii kondensatorów
transformatora wysokiego napięcia jeśli chwilowo na elektrodzie wol- elektrolitycznych o dużej pojemności
Rys. 4. Schemat blokowy urzÄ…dzenia opisanego w artykule
Elektronika Praktyczna 10/2006
28
Przystawka do spawania aluminium metodÄ… TIG
(rzÄ™du 100000 µF), albo jak w tym elektryczny nie tylko, że gaÅ›nie, ale
opracowaniu, zespół dwóch tyrysto- zmienia swoją biegunowość. Jako, że
rów dużej mocy połączonych w ukła- przy spawaniu aluminium nie moż-
dzie odwrotnie  równoległym. Tyry- na zwierać elektrody do materiału
stor Ty1 (rys. 1) przewodzi dodatni spawanego (elektroda wolframowa
półokres sieci zasilającej i w czasie ulega wówczas zanieczyszczeniu, tj.
pracy jest w pełni wysterowany, na-  oblepieniu płynnym aluminium)
tomiast tyrystor Ty2 przewodzi ujem- należy zapewnić skuteczny, bezdoty-
ny półokres sieci zasilającej i jest kowy sposób inicjacji i podtrzymania
załączany z opóz
nieniem stosownie Å‚uku spawalniczego. W tym przypad-
do wskazań miliamperomierza prą- ku nie wystarczy układ wysokie-
du stałego (z zerem po środku skali) go napięcia generujący impulsy np.
włączonego w obwód spawania po- o częstotliwości 50 Hz. Generator
przez bocznik pomiarowy B. W cza- wysokiego napięcia pracuje w sposób
sie pracy załączony zostaje również ciągły w czasie spawania i podczas
opornik R, którego zadaniem jest licznych eksperymentów, stwierdzi-
zapewnienie przepływu prądu spa- łem, że częstotliwość pracy tego
wania w chwili, gdy nie jest jesz- generatora nie może być mniejsza
cze załączony tyrystor Ty2. Zaletą niż 500 Hz. Najbardziej krytycznym
zastosowania stycznika tyrystorowe- momentem w zapewnieniu stabilno-
go jest to, że spełnia on dodatkowo ści łuku spawalniczego jest chwila
rolę łącznika prądu spawania. O ile przejścia przez zero sieci zasilają- Na rozwiązanie przedstawione w artykule
autor uzyskał patent Urzędu Patentowego
stosowanie generatora wysokiego cej i zmiana biegunowości. Dziesię-
Rzeczpospolitej Polskiej (numer 156053).
napięcia do inicjacji łuku spawal- ciokrotnie większa liczba impulsów
niczego w spawarkach TIG DC nie wysokiego napięcia w stosunku do
jest konieczne, o tyle w spawarkach częstotliwości sieci zasilającej daje W artykule przedstawiam opis wy-
TIG AC jest niezbędne. W ciągu gwarancję stabilnego jarzenia łuku konania przystawki do spawania TIG
1-go okresu sieci zasilającej (T), łuk spawalniczego. AC, w której z
ródłem prądu spawania
LED1, LED2: dioda  pulsujÄ…ca ,
WYKAZ ELEMENTÓW
C3, C9...C11, C16, C27, C28:
dowolna
Rezystory 100 nF
TO: transoptor, CNY 17-3
R: patrz opis C4: 4,7 nF
T1...T10, T12, T14, T15: BC107 lub
R1, R2, R5, R10, R11, R16, R17, C5: 220 µF/16V
podobne
R25...R27, R39...R43: 4,3 kV
C6: 22 nF
T11, T13: BC211 lub podobne
R3, R22, R34, R35: 20kV
C7,C8: 47 µF/16V
T17, T17: IRF 640
R4: 200 kV
C12: 1 nF
US1: 7824
R6: 4 kV
C13: 10 nF
US2: 7812
R7: 25 kV
C14: 0,49 µF/10V
US3, US4, US6: NE555
R8, R9, R23, R24: 1,5 kV
C15: 1 µF/16V
US5: SG3525N
R12: 4,7 kV
C17: 470 µF/16V
Ty1, Ty2: T20-300-03 prod. Dacpol,
R13: 300 V/0,5W
C18: 470 µF/25V
Piasecznio, lub podobne.
R14: 100 kV
C19: 1000 µF/35V
Ty3: patrz opis
R15: 2,7 kV
C20: 4700 µF/35V
Transformatory
R18, R45...R47: 1 kV
C21: 10 µF/50V
Tz: 380/24/80 VA
R19: 800 V
C22: 2 do 10 µF/50V
Trse: patrz opis
R20, R49, R50: 1 kV/5 W
C23: 100 nF/1kV, impulsowy, typ
TrWN: patrz opis
R28, R32, R33: 10 V MKP 27
TrP: patrz opis
R29: 4,7 kV C24: 10µF/200V, olejowy
Tr1, Tr2: patrz opis
R30: 680 V C25: 20 µF/200V, olejowy
Przekaz
niki
R31: 120 V C26: 0,5 µF/200V
P1: R15, cewka 24 V=, prod. Relpol
R36: 100 V Półprzewodniki
Żary
R37: 0,2 V/5 W D1, D2, D7...D10, D15...D19:
P2: cewka 24V=, styki 5 A
1 A/100 V
R38: 200 V
P3: patrz opis
D3, D6: dowolna, krzemowa
R44: 2 kV
P4: cewka 24=, styki 5 A
D4, D5: 1 A/400 V
R48: 33 V/2 W
Inne
D11...D14: BY399, 3 A/1 kV/500 ns
PR1, PR2: 1 kV
Ww: wyłącznik wodny  patrz opis
Pr1, Pr2: mostek, 1A/100 V
PR3: 4,7 kV/A
Dł1: dławik, patrz opis
Pr3: mostek, 15 A/100 V
PR4: 1 MV/A
B1, B2: bezpiecznik, 1 A
DZ1: 4,7 V
Kondensatory
B: bocznik pomiarowy  patrz opis
DZ2: 12 V/1,2 W
C1: 22 µF/25 V
Prp: przełącznik, styki 1 A
W1, W2: warystor, 130 V/1,3 W
C2: 100 nF/100V
EZ: elektrozawór  patrz opis
Elektronika Praktyczna 10/2006
29
Przystawka do spawania aluminium metodÄ… TIG
samych faz, co transformator spa- skończonym spawaniu. Diody pulsu-
walniczy TS. Jeden koniec uzwojenia jące  WODA i  MASA , ich świecenie
wtórnego transformatora TS podłą- informuje kolejno o braku lub niskim
czony jest poprzez kabel spawalniczy ciśnieniu cieczy chłodzące oraz o bra-
z przystawką (wejście  AC ), a drugi ku galwanicznego połączenia pomię-
do  masy , czyli materiału spawane- dzy zaciskiem  MASA , a materiałem
go, przewody te oznaczono pogru- spawanym. W przypadku spawa-
bioną linią. W przypadku spawania nia prądem stałym, dioda świecąca
prądem stałym (DC), ujemny biegun  MASA gaśnie, gdy na zaciskach spa-
wyjściowy prostownika spawalniczego warki pojawi się napięcie. Przełącznik
Fot. 5. Widok przedniej ścianki obu- podłączamy do wejścia  DC przy- rodzaju pracy  AC/DC ustala rodzaj
dowy stawki, a drugi (plus) do  masy . Pod- spawania TIG (AC lub DC).
łączenie to zobrazowano pogrubioną, Na początek należy zgromadzić
jest transformator spawalniczy zasila- przerywanÄ… liniÄ…. wszystkie elementy, jak: obudowa,
ny z sieci 380 V. Transformator ten Podłączenie spawarek do przy- złącza wodne i gazowe oraz wyso-
posiada płynną regulacje prądu spa- stawki dokonujemy zamiennie (nie koprądowe, elektrozawór gazu, pal-
wania uzyskaną poprzez przemiesz- wolno podłączać dwóch z
ródeł jed- nik TIG, podzespoły elektroniczne
czanie w jego magnetowodzie tzw. nocześnie), bowiem grozi to uszko- itd. Doskonałą obudową dla przy-
bocznika magnetycznego. Przystawką dzeniem tyrystorów mocy w przy- stawki, okazała się być metalowa
tą można spawać również ze z
ródła stawce i diod prostowniczych w spa- obudowa od komputerów starszych
zasilanego z napięcia 220 V, lecz mała warce prądu stałego. typów z podnoszonym na zawiasach
wydajność prądowa takich spawarek, Aby spawać prądem stałym, górnym wiekiem o wymiarach cało-
znacznie ogranicza użyteczność całe- w prostowniku spawalniczym należy ści: 480x410x145 mm (dł. x szer. x
go zestawu. Kilka dodatkowych złącz zamocować gniazdo sterujące, które wys.), wewnątrz której mieszczą się
i podzespołów czyni przystawkę na jest połączone przewodem 2-żyło- wszystkie podzespoły.
tyle uniwersalną, że można nią rów- wym z gniazdem  STER umiesz-
nież spawać metodą TIG DC. czonym na tylnej ściance przystaw- Część mechaniczna
Jest to najbardziej proste i rów- ki. W tym przypadku, wewnątrz Obudowę od komputera, po usu-
nocześnie skuteczne rozwiązanie spawarki DC instalujemy stycznik nięciu z wnętrza wszystkich podze-
urządzenia do spawania aluminium dużej mocy (o ile go nie ma ory- społów, należy wzmocnić w górnej
i tym samym zachęcam Czytelników ginalnie) załączający urządzenie od części trzema prętami stalowymi
do dalszych prac konstrukcyjnych strony sieci zasilającej oraz prze- o średnicy 8 mm, które mocowane
nad rozwojem tego opracowania, kaz
nik R15 z cewką 24 V/50 Hz. są śrubami M5 do pionowych ścia-
np. układu automatycznej likwida- Zestaw stycznik mocy i przekaz
nik nek. Zarówno do ścianki przedniej
cji składowej stałej prądu spawania R15 służy do załączenia i wyłącze- jak i tylnej obudowy na całej po-
(SS). Jest pole do popisu. nia procesu spawania. Zastosowanie wierzchni przymocowana jest nita-
Wszystkie prace przy instalacji spawarki 3-fazowej do spawania mi płyta tekstolitowa o grubości 3
elektrycznej spawarki, szczególnie metodą TIG DC ma tą zaletę, iż do 4 mm. Na ściankach tych będą
od  strony sieci zasilającej powin- łuk spawalniczy jest bardziej stabil- montowane poszczególne złącza, po-
ny być wykonane przez doświad- ny i elastyczny w porównaniu z łu- tencjometry, przełączniki, wskaz
niki,
czonych fachowców posiadających kiem z prostownika jednofazowego. itd. Rozmieszczenie elementów na
odpowiednie kwalifikacje i upraw- Zacisk laboratoryjny  MASA przedniej i tylnej ściance przystawki
nienia. Do montażu należy użyć umieszczony na tylnej ściance przy- przedstawiono na fot. 5 i 6.
sprawdzonych podzespołów. stawki, łączymy przewodem Cu (lin- Montaż elementów zaczynamy
Schemat blokowy urządzenia ka) o przekroju min. 2 mm2 z mate- od największych gabarytowo, tj.
(rys. 4) pokazuje cały zestaw do spa- riałem spawanym przy pomocy np. złącz wysokoprądowych do zasi-
wania metodą TIG AC/DC. Na sche- zacisku sprężynowego. Połączenie to lania przystawki zarówno prądem
macie pominięto instalację wodną umożliwia odblokowanie generatora przemiennym jak i stałym, które są
i gazową, które będą opisane poni- wysokiego napięcia i w tym przy- umieszczone w tylnej części obu-
żej. Przystawka jest zasilana poprzez padku jest wspólne dla opcji spa- dowy. Dalej, na tej ściance zamo-
transformator Tz (380/24 V) z tych wania AC jak i DC. cowane są złącza dla wejścia jak
Miliamperomierz analogowy z  ze- i wyjścia cieczy chłodzącej oraz
rem po środku skali służy do od- złącze dla wejścia gazu. Tam też
czytu poziomu składowej stałej prądu jest zamocowane gniazdo elektrycz-
spawania (SS), a sprowadzanie jego ne sterujące funkcją włącz-wyłącz
wskazań do zera odbywa się poten- prąd spawania w przypadku spawa-
cjometrem  SS umieszczonym tuż nia metodą TIG DC. Jest również
pod miernikiem. Po każdej zmianie gniazdo zasilania przystawki z trans-
nastawy prądu spawania i po zajarze- formatora Tz (380/24V/80VA), który
niu łuku spawalniczego należy kory- jest w oddzielnej obudowie, bowiem
gować potencjometrem  SS wskaza- przyjęto zasadę, aby do przystawki
nia miliamperomierza. Potencjometr nie doprowadzać bezpośrednio na-
Fot. 6. Rozmieszczenie elementów na  GAZ służy do regulacji czasu opóz
- pięcia sieciowego. Należy baczną
tylnej ściance obudowy nienia wypływu gazu ochronnego po uwagę zwrócić na solidne zamoco-
Elektronika Praktyczna 10/2006
30
Przystawka do spawania aluminium metodÄ… TIG
wanie wszystkich złącz, szczególnie  pastylkowe powinny być mocowa-
złącza wyjściowego TIG oraz złącza ne do radiatora kluczem dynamome-
sterującego pracą przystawki mikro- trycznym i każdy producent takich
wyłącznikiem, który znajduje się tyrystorów w katalogu podaje, z jaką
w rękojeści palnika. Złącza te mo- siłą mają być przymocowane. Tyry-
cujemy w odległości nie mniejszej, story mocy o innym kształcie obu-
niż 25 mm od jakiejkolwiek meta- dowy, np. z anodą w postaci śruby,
lowej części obudowy, bowiem wy- a katodą w postaci przewodu, mon-
stępuje na nich wysokie napięcie. tujemy podobne, lecz cały zestaw
Rozmieszczenie wszystkich podze- będzie gabarytowo większy. Ważne
społów wewnątrz przystawki poka- jest, aby zapewnić jak największy
zano na fot. 7. Fot. 7. Widok wnętrza przystawki TIG powierzchniowo kontakt elektrod ty-
AC rystora z płaskownikiem miedzianym,
Radiator wodny który przewodzi prąd spawania jak
Zastosowany w przystawce palnik ki, tak jak użyte w przedstawionym i odprowadza ciepło wydzielane
TIG wymaga wymuszonego chło- opracowaniu. przez tyrystory mocy.
dzenia cieczą. Jest więc okazja, aby Konstrukcja radiatora składa się Stanisław Krasicki
w obwód chłodzenia włączyć również z dwóch płyt tekstolitowych o gru- [e-mail]
tyrystory mocy. Płynący w obwodzie bości min. 10 mm, do których od
przystawki prąd spawania rzędu na- strony wewnętrznej zamocowane są Szczególne podziękowanie skła-
wet kilkuset amperów w krótkim cza- dwa płaskowniki miedziane o grubo- dam Panom: dr. inż. Andrzejowi Bo-
sie zniszczy tyrystory mocy, jeśli nie ści 2 mm i szerokości 40 mm. Do browiczowi z Politechniki Szczeciń-
będą one chłodzone. Powstaje zatem płaskowników na całej długości na- skiej za rzeczowe uwagi dotyczące
konieczność zbudowania radiatorów leży przylutować najlepiej na  twar- zagadnień spawalniczych oraz Pre-
chłodzonych cieczą. Konstrukcja me- do rurki miedziane o średnicy wew. zesowi Bogusławowi Deręgowskiemu
chaniczna radiatora zależy od kształ- min. 3 mm, przez które przepływać z Firmy SUT Spawalnictwo i Urzą-
tu obudowy posiadanych tyrystorów. będzie ciecz chłodząca. Całość radia- dzenia Techniczne dla Ochrony Śro-
Najłatwiej zbudować radiator dla ty- tora jest skręcona pięcioma śrubami dowiska w Szczecinie, za nieodpłat-
rystorów, które mają kształt pastyl- M6. Należy pamiętać, że tyrystory ne udostępnienie argonu.
Elektronika Praktyczna 10/2006
31