Spawarki i zgrzewarki

      Elektryczne urządzenia spawalnicze służą do przemiany energii elektrycznej w skoncentrowany strumień energii cieplnej zdolny do miejscowego topienia spawanych, zgrzewanych lub przecinanych elementów metalowych. Podział urządzeń spawalniczych zależy od zastosowanej metody przemiany energii elektrycznej w energię cieplną.

      Na tej podstawie rozróżnia się:

- urządzenia do spawania łukowego, ręcznego, półautomatycznego lub automatycznego, w powietrzu lub osłonach

  z gazów, np. argonu lub jego mieszanek,

- urządzenia plazmowe do cięcia, spawania i natryskiwania metali,

- zgrzewarki rezystancyjne, działające na zasadzie ciepła Joule’a,

- zgrzewarki mechaniczne, tarciowe lub ultradźwiękowe,

- urządzenia laserowe do spawania lub cięcia,

- urządzenia spawalnicze elektronowe, w których wykorzystywana jest wiązka elektronów o dużej

  mocy wytwarzana w komorze próżniowej i przyspieszana napięciem 30÷120 kV.

      Pod względem wykonania, elektryczne urządzenia spawalnicze i zgrzewarki można podzielić na:

- spawarki wirujące napędzane silnikiem elektrycznym, rzadziej spalinowym,

- spawarki transformatorowe,

- spawarki prostownikowe jedno- i wielostanowiskowe,

- półautomaty spawalnicze przeznaczone do spawania łukowego w atmosferze gazów ochronnych,

- automaty spawalnicze,

- zgrzewarki doczołowe, punktowe i liniowe.

      W skład poszczególnych urządzeń spawalniczych wchodzą również układy służące do ich zasilania, regulacji i sterowania oraz układy chłodzenia i sprężonego powietrza.

      Proces technologiczny spawania zależy od właściwości i parametrów zasilacza oraz warunków środowiska. Zasilacz musi zapewniać stałość wyładowania łukowego i jego odpowiednią charakterystykę. Najważniejszymi parametrami technicznymi zasilaczy urządzeń spawalniczych są:

— napięcie stanu jałowego, które nie powinno przekraczać 100 V w zasilaczach prądu stałego

    i 80 V w zasilaczach prądu przemiennego,

— tzw. umowne napięcie robocze, które przy prądzie spawania I_S nie przekraczającym 600 A wynosi

    (20 + 0,04·I_S), a przy prądzie większym niż 600 A wynosi 44 V,

— znamionowy prąd spawania,

— maksymalny prąd spawania,

— sprawność i współczynnik mocy.

      Do zasilania łuku przy spawaniu elektrodowym stosowane są, w zależności od technologii spawania, zasilacze prądu stałego lub przemiennego. Jako zasilacze prądu stałego stosowane są:

— prostowniki spawalnicze,

— przetwornice spawalnicze elektromaszynowe,

— przemienniki spawalnicze elektroniczne.

      Jako zasilacze prądu przemiennego stosowane są transformatory spawalnicze.

      Prostowniki spawalnicze są przekształtnikami prądu przemiennego na prąd stały. Prostownik spawalniczy składa się z transformatora zasilającego, urządzenia nastawczego prądu spawania oraz zespołu prostownikowego. Jako prostownik wykorzystuje się zwykle diody lub tyrystory w układzie mostkowym. Współcześnie podstawą budowy zasilaczy prądu stałego są prostowniki tyrystorowe.

      Przetwornice spawalnicze są to zespoły dwumaszynowe złożone z silnika napędowego i prądnicy spawalniczej. Silnikiem napędowym spawarki wirującej jest najczęściej silnik asynchroniczny. Stosowane są też napędy silnikiem prądu stałego (w górnictwie) a także agregaty spawalnicze z napędem spalinowym. Prądnice spawalnicze są maszynami prądu stałego lub przemiennego o zwiększonej częstotliwości. Prądnice spawalnicze ustępują pod względem sprawności i właściwości eksploatacyjnych urządzeniom tyrystorowym. Z tego względu ich zakres stosowania jest obecnie ograniczany.

      Najnowszą grupę urządzeń zasilających stanowią przemienniki spawalnicze elektroniczne. Są to układy z tranzystorami mocy pracujące przy częstotliwości powyżej 20 kHz. Dużą zaletą przemienników elektronicznych jest radykalne zmniejszenie masy zasilaczy i lepsze warunki sterowania procesem. Częstotliwość pracy zasilacza leży poza pasmem akustycznym.

      Transformatory spawalnicze mają konstrukcję umożliwiającą otrzymanie wymaganego prądu spawania i jego regulację na drodze zmiany reaktancji obwodu uzyskiwanej przez zmianę zaczepów uzwojenia pierwotnego transformatora lub przez zmianę położenia ruchomego bocznika strumienia magnetycznego (rys. 5). W transformatorach dużej mocy prąd jest sterowany układem tyrystorowym.

Rys. 5. Zasada regulacji transformatora spawalniczego za pomocą zmiany położenia bocznika magnetycznego

Oznaczenia: U₁ – napięcie sieci , U₂ – regulowane napięcie wyjściowe (wtórne)

transformatora spawalniczego,  1 – bocznik magnetyczny,

2 – strumień rozproszenia rdzenia transformatora.

Zgrzewarki elektryczne

      Zgrzewanie jest to proces łączenia metali, polegający na doprowadzeniu brzegów lub punktów łączonych części do stanu ciekłego, a następnie połączenie ich za pomocą nacisku i ochłodzenia.

      Zgrzewarki elektryczne do metali mogą być wykonane jako:

— zgrzewarki rezystancyjne sieciowe,

— zgrzewarki rezystancyjne akumulacyjne (kondensatorowe).

      Zgrzewarki prądu przemiennego mogą pracować przy następujących częstotliwościach:

— sieciowej – 50 Hz,

— zmniejszonej – 3÷30 Hz,

— średniej – 1÷70 kHz ,

— wysokiej – 100÷500 kHz.

      Podstawowe parametry zgrzewarek to:

— moc ( 0,5÷1500 kVA),

— prąd zgrzewania (50 A ÷ 300 kA),

— napięcie stanu jałowego (0,5÷36 V),

— siła docisku elektrod.

      Dla zgrzewarek kondensatorowych zamiast mocy podawana jest energia wyrażona w dżulach. Zgrzewarka składa się z transformatora dostarczającego prąd o dużym natężeniu i niskim napięciu, części mechanicznej służącej do uchwycenia i odpowiedniego dociśnięcia zgrzewanych elementów oraz aparatury sterowniczej. Zgrzewarki dzielą się ze względu na rodzaj wykonywanych złączy. Rozróżniamy zgrzewarki doczołowe, punktowe, liniowe, garbowe i inne.

      Zgrzewarki doczołowe są wyposażone w elektrody umożliwiające uchwycenie i dociśnięcie zgrzewanych przedmiotów. Po odpowiednim nagrzaniu przy zwarciu i dociśnięciu zgrzewanych części proces zgrzewania jest zakończony. Zgrzewarki doczołowe mogą też działać na tzw. zasadzie iskrowej. Przy zgrzewaniu iskrowym łączone części są dosuwane do siebie w sposób powodujący wyładowanie elektryczne i nagrzewanie się w miejscach nierówności powierzchni łączonych, które następnie po stopieniu zostają dociśnięte i połączone ze sobą.

      Zgrzewarki punktowe działają na zasadzie miejscowego stopienia metalu prądu między elektrodami przyłożonymi w poszczególnych punktach po dociśnięciu zgrzewanych blach i przepuszczeniu odpowiedniego prądu. Po wyłączeniu prądu następuje sprasowanie łączonych blach. 

      Odmianą zgrzewania punktowego jest zgrzewanie liniowe, które przebiega przy użyciu elektrod krążkowych. Poruszające się z odpowiednią prędkością w stosunku do blachy elektrody krążkowe formują na niej tzw. szew liniowy. Grubość blach, które można zgrzewać tym sposobem jest ograniczona do ok. 5 mm.

      Zgrzewarki garbowe stanowią odmianę zgrzewarek punktowych o specjalnej konstrukcji umożliwiającej programowanie docisku elektrod. Zasadę działania zgrzewarki wielopunktowej pokazano na rys. 6.

Rys. 6. Zasada zgrzewania wielopunktowego:

1 – transformator zasilający, 2 – elektrody.

Zasady eksploatacji spawarek i zgrzewarek

      Podstawą bezpiecznej eksploatacji spawarek jest instrukcja ruchu i eksploatacji, która powinna być opracowana na podstawie dokumentacji dostarczonej przez producenta i w oparciu o

      Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [Dz.U.07.93.623 ogłoszony dnia 29 maja 2007 r.].

      Na urządzeniach powinny być umieszczone i utrzymywane w stanie czytelnym następujące napisy i oznaczenia:

- na wszystkich elementach wchodzących w skład urządzenia symbole zgodne z dokumentacją

  techniczno-ruchową,

- symbole i oznaczenia zacisków ochronnych i wyprowadzeń (końców) uzwojeń,

- dane znamionowe na tabliczkach znamionowych,

- napisy na podstawach gniazd bezpiecznikowych podające wymagane prądy wkładek, na

  zabezpieczeniach — wielkości ich nastaw,

- napisy określające funkcje przycisków i łączników.

      Przewody zasilające urządzenia oraz przewody spawalnicze powinny być zabezpieczone przed uszkodzeniami mechanicznymi poprzez odpowiedni sposób prowadzenia, osłony lub zawieszenie na przenośnych stojakach. Przewody spawalnicze powrotne powinny być łączone bezpośrednio z przedmiotem spawanym albo odpowiednimi szynami zbiorczymi do tego przeznaczonymi. Długość i przekrój przewodów spawalniczych powinny być dostosowane do znamionowych prądów spawania (zgrzewania) i zapewniać jak najniższe straty energii elektrycznej.

      Stan techniczny urządzeń, ich zdolność do pracy i warunki eksploatacji należy oceniać na podstawie oględzin i przeglądów przeprowadzanych okresowo. Oględziny i przeglądy urządzeń spawalniczych przeprowadza się tylko w stanie wyłączonym. Włączenie i przeprowadzenie ruchu próbnego może być dokonane po uzyskaniu pozytywnego wyniku przeglądu.

      Przyjmowanie do eksploatacji urządzeń spawalniczych nowych lub po remoncie może nastąpić po wykonaniu odpowiednich badań technicznych. Zakres  badań i wymagania techniczne dla urządzeń spawalniczych podano w tablicy 4.

Tablica 4. Zakres badań technicznych dla urządzeń spawalniczych.

      Podczas uruchamiania urządzeń spawalniczych należy przestrzegać następujących zasad:

a) urządzenia spawalnicze powinny być umieszczone możliwie najbliżej miejsca spawania

    lub zgrzewania,

b) spawarki transformatorowe nie mogą być używane w pomieszczeniach ciasnych i na podłożach

    przewodzących prąd elektryczny, np. metalowych lub wilgotnych,

c) stosowanie spawarek wirujących powinno być ograniczone do niezbędnych przypadków,

d) urządzenia jednofazowe powinny być zasilane przy założeniu równomiernego obciążenia faz,

e) prąd spawania nie może przepływać w przewodach neutralnych i ochronnych obwodów

   elektrycznych,

f) urządzenie spawalnicze należy wyłączyć spod napięcia na okres przerwy w pracy trwającej ponad:

   — 5 minut – przy spawaniu ręcznym,

   — 10 minut – przy spawaniu lub zgrzewaniu automatycznym,

g) pracę urządzeń spawalniczych należy wstrzymać w razie zagrożenia bezpieczeństwa obsługi oraz:

   — gdy wystąpi dym, ogień lub nadmierne nagrzewanie urządzenia,

   — stwierdza się wzrost temperatury czynnika chłodzącego,

   — wystąpią nadmierne drgania i zwiększony poziom hałasu,

   — nastąpi uszkodzenie instalacji wodnej lub pneumatycznej,

   — nastąpi uszkodzenie elektrycznych układów sterowania lub regulacji.

Stan techniczny urządzeń spawalniczych należy oceniać na podstawie oględzin i przeglądów.

      Oględziny należy przeprowadzać nie rzadziej niż raz na kwartał w czasie ruchu i w czasie postoju. Oględziny powinny obejmować sprawdzenie:

- zabezpieczeń, regulatorów i łączników,

- połączeń elektrycznych i mechanicznych przewodów spawalniczych,

- działania i wskazań przyrządów pomiarowych oraz sterowania,

- układów chłodzenia i sprężonego powietrza,

- ochrony przeciwporażeniowej i przeciwpożarowej,

- nagrzewania się obudowy i łożysk,

- poziomu hałasu i drgań.

      Przeglądy urządzeń spawalniczych wykonuje się po uprzednim wyłączeniu ich spod napięcia nie rzadziej niż raz w roku. Przegląd powinien obejmować w szczególności:

- szczegółowe oględziny,

- badanie stanu technicznego  w zakresie podanym w tablicy 8,

- sprawdzenie ochrony przeciwporażeniowej,

- sprawdzenie stanu łożysk napędów i prądnicy,

- czynności konserwacyjne i naprawy,

- przeprowadzenie ruchu próbnego.

      W czasie ruchu próbnego należy sprawdzić między innymi:

- prawidłowość działania układu chłodzenia,

- prawidłowość działania sterowania (ręcznego i automatycznego),

- stan i prawidłowość ustawienia elektrod,

- czasy pracy, zgrzewania, docisku i przerw.

      Do wyłączania biegu jałowego należy stosować wyłączniki automatyczne. W przypadku wyłączenia przez zabezpieczenie, uruchomienie urządzenia może nastąpić po oględzinach i stwierdzeniu że nie występują objawy świadczące o uszkodzeniu. Napięcie w stanie jałowym urządzeń spawalniczych nie może przekraczać wartości ustalonych w warunkach technicznych.

      Powyższych zasad eksploatacji spawarek i zgrzewarek jako urządzeń energetycznych nie stosuje się do spawarek wirujących o napędzie nieelektrycznym oraz do spawarek i zgrzewarek o mocy znamionowej mniejszej lub równej 1 kW lub 1,1 kVA, jeżeli łączna ich moc u jednego użytkownika nie przekracza 5 kW lub 5,5 kVA. W tych przypadkach podczas uruchamiania i eksploatacji urządzeń spawalniczych należy opierać się na fabrycznej instrukcji obsługi dostarczanej wraz z urządzeniem.

      Spawarki i zgrzewarki, wśród których szczególnie rozpowszechnione są spawarki transformatorowe, są zaliczane do urządzeń mogących stwarzać zagrożenie życia, zdrowia, a także środowiska. Silne promieniowanie podczerwone (cieplne) IR związane z procesem spawania może powodować ujemne działanie począwszy od uciążliwości pracy do różnych schorzeń i bezpośredniego zagrożenia zdrowia i życia. Skutki promieniowania cieplnego są szczególnie groźne dla oczu i skóry i zależą od czasu ekspozycji. Instrukcje obsługi urządzeń spawalniczych muszą zawierać szczegółowe wytyczne dla użytkowników oraz wymagania dotyczące ochron osobistych pracowników.