ITVI20090247A1 - Procedimento e sistema per il controllo della corrente d'arco erogata nei processi di saldatura - Google Patents

Description

PROCEDIMENTO E SISTEMA PER IL CONTROLLO DELLA CORRENTE

D’ARCO EROGATA NEI PROCESSI DI SALDATURA

La presente invenzione si riferisce, in genere, ad un procedimento ed al relativo sistema di controllo della corrente d’arco elettrico generata durante i processi di saldatura.

Più in particolare, l’invenzione riguarda un procedimento ed un sistema elettronico di controllo della corrente d’arco erogata durante la saldatura, adatto a determinare la frequenza di commutazione di un componente di potenza (inverter) in funzione della corrente di uscita desiderata, della potenza di trasferimento, della corrente minima di trasferimento e della dinamica necessaria, intesa come variazione della corrente in uscita desiderata nell’unità di tempo.

La saldatura è un procedimento che permette il collegamento permanente di parti solide di diversi materiali o di materiali simili tra loro e che realizza la continuità del materiale ove essa venga applicata; nella sua accezione più comune, inoltre, presuppone l’apporto di calore localizzato tale da permettere la fusione del materiale e tale materiale può essere il materiale componente le parti stesse che vengono unite (saldatura autogena) o un materiale estraneo ad esse, detto anche materiale di apporto (saldatura eterogenea o brasatura).

Il calore necessario all’attuazione del processo di saldatura viene ottenuto con diversi sistemi, quali: - una fiamma prodotta per combustione di un gas con aria o ossigeno;

- un arco elettrico che viene formato tra due elettrodi (uno di essi può essere il pezzo stesso da saldare);

- una resistenza elettrica ottenuta per effetto Joule al passaggio di una corrente attraverso i pezzi da saldare;

- un laser ad elevata potenza o mediante altri sistemi di apporto di energia non da fiamma.

Infine, per ottenere una saldatura resistente, tecnicamente buona ed esente da imperfezioni, la zona di fusione deve essere protetta da fenomeni di ossidazione ed il metallo fuso deve essere depurato da scorie; per evitare l’ossidazione la saldatura deve avvenire quindi in atmosfera il più possibile priva di ossigeno (inerte) e, a tale scopo, nella zona in prossimità della saldatura, vengono aggiunte sostanze come gas, borace, silicati e carbonati, che creano una nube protettiva nei pressi del bagno di fusione e che permettono l’espulsione delle scorie.

Per esempio, nella saldatura ossiacetilenica si produce un’atmosfera riducente, mentre la saldatura ad arco viene effettuata nell’atmosfera prodotta dalla combustione del rivestimento dell’elettrodo o sotto flusso di gas.

Le principali tipologie di saldatura ad arco elettrico includono la saldatura MIG (Metal-arc Inert Gas) o MAG (Metal-arc Active Gas), ove l’unica differenza fra tali tipologie è costituita dal gas che viene usato per la protezione del bagno di saldatura, e la saldatura TIG (Tungsten Inert Gas).

Il procedimento di saldatura MIG/MAG è un procedimento a filo continuo, ad alta produttività, in cui la protezione del bagno di saldatura è assicurata da un gas di copertura, che fluisce dalla torcia sul pezzo da saldare, ed una postazione per saldatura MIG/MAG è composta essenzialmente dalla torcia (con la duplice funzione di far scoccare l’arco fra il filo ed il pezzo e di portare il gas di protezione sul bagno di saldatura), dal pezzo da saldare, dal generatore di corrente d’arco (di solito controllato elettronicamente), da un meccanismo di avanzamento e controllo del filo, da un aspo avvolgi-filo e da una bombola del gas di protezione.

In tal modo, è possibile avere densità di corrente più elevate di quelle sopportabili dagli elettrodi rivestiti, quindi è possibile ottenere penetrazioni maggiori, ossia un riempimento del giunto con un minor numero di passate, oltre agli ulteriori vantaggi derivanti dal fatto che è possibile saldare anche in posizioni non piane e che l’operatore può tenere l’arco sotto osservazione diretta.

La saldatura TIG è un procedimento di saldatura ad arco con elettrodo infusibile (di tungsteno), sotto protezione di gas inerte, che può essere eseguito con o senza metallo di apporto.

Il procedimento, automatizzabile ed impiegabile per piccoli spessori di materiale, si basa su una torcia in cui è inserito l’elettrodo in tungsteno, attorno al quale fluisce il gas di protezione, che, attraverso un bocchello di materiale ceramico, è portato sul bagno di fusione; l’operatore muove la torcia lungo il giunto per spostare il bagno di fusione, mentre, nel caso sia richiesto materiale d’apporto, contemporaneamente sposta la bacchetta del materiale d’apporto, in modo tale da tenerla costantemente con l’estremità entro l’arco e comunque sotto la protezione del gas.

In questo modo, l’apporto di materiale nel bagno di saldatura è indipendente dall’apporto termico di saldatura, a differenza di quanto accade nelle saldature a filo o a elettrodo consumabile.

Per tutte le tipologie di saldatura descritte, il generatore di corrente d’arco è tradizionalmente controllato elettronicamente per mezzo di un inverter, un apparato elettronico capace di convertire corrente continua in corrente alternata, eventualmente a tensione diversa, oppure una corrente alternata in un’altra di differente frequenza.

Nella realizzazione degli inverter elettronici vengono usati normalmente componenti di potenza di tipo switching, quali IGBT, tiristori o MOSFET, come interruttori, i quali, pilotati da un oscillatore, realizzano la forma d’onda desiderata in uscita.

Aprendo e chiudendo un circuito, infatti, si genera un’onda quadra, la quale, applicata ad un trasformatore, fornisce all’uscita la tensione richiesta (arrotondando in qualche misura l’onda quadra).

In ogni caso, gli inverter migliori basano il loro funzionamento sulla modulazione di larghezza di impulso (PWM) ed il sistema può essere retroazionato in modo da fornire una tensione in uscita stabile al variare della tensione in ingresso.

Tuttavia, anche se i MOSFET e gli IGBT di potenza hanno la caratteristica di poter funzionare ad alte frequenze di commutazione (fino a 100 kHz e oltre) e di poter utilizzare alte frequenze di commutazione, specie nelle applicazioni di saldatura, al fine di garantire la più veloce dinamica possibile alla forma d’onda in uscita, d’altra parte, ad ogni commutazione, il componente MOSFET e/o IGBT dissipa molta energia (energia di commutazione), che contribuisce in modo determinante al surriscaldamento del componente stesso, limitandone di fatto caratteristiche e prestazioni.

Normalmente, quindi, si cerca di stabilire una frequenza di lavoro che sia un buon compromesso fra velocità di risposta e bassa dissipazione e, una volta fissata la frequenza, un circuito di controllo dell’inverter modula il duty-cycle del segnale in uscita dal componente switching per ottenere la forma d’onda desiderata in uscita.

In pratica, per controllare la corrente di arco in uscita, si utilizza solitamente o una modulazione di frequenza (di solito con duty-cycle fisso di un valore predeterminato stabilito in microsecondi) o una modulazione di duty-cycle (con frequenza fissa, di solito intorno ai 100 kHz), tramite l’azionamento di un controllo digitale dell’inverter, in modo da ottenere la forma d’onda desiderata in uscita.

Tuttavia, ognuna delle due suddette modalità presenta alcuni riconosciuti inconvenienti, quali le elevate dissipazioni di commutazione (a frequenze elevate) e/o l’ampiezza minima dell’impulso di comando.

A tal proposito, infatti, quando il componente IGBT viene acceso, la quantità di energia trasferita in uscita presenta un valore minimo al di sotto del quale non è possibile scendere e se, ad una determinata frequenza di commutazione, l’energia trasferita è maggiore di quella desiderata, l’unico modo possibile per ridurre l’energia trasferita è quello di ridurre la frequenza di commutazione.

Nell’ambito delle esigenze sopra menzionate, scopo della presente invenzione è, quindi, quello di ovviare agli inconvenienti testé lamentati.

In particolare, scopo primario dell’invenzione è indicare un procedimento per il controllo della corrente d’arco erogata nei processi di saldatura che consenta di ottenere la massima variabilità dell’intensità di corrente in uscita mantenendo, al contempo, la minima frequenza di commutazione.

Altro scopo della presente invenzione è fornire un sistema per il controllo della corrente d’arco erogata nei processi di saldatura che sia in grado di implementare il procedimento di cui sopra.

Ulteriore scopo dell’invenzione è mettere a punto un procedimento ed un sistema per il controllo della corrente d’arco erogata nei processi di saldatura che risultino estremamente affidabili, efficienti e funzionali, e che siano in grado di abbinare i vantaggi della modulazione di frequenza e della modulazione di duty-cycle realizzabili tramite i sistemi di controllo digitale di tipo switching.

Questi ed altri scopi, secondo la presente invenzione, sono raggiunti per mezzo di un procedimento per il controllo della corrente d’arco erogata nei processi di saldatura, secondo la rivendicazione 1 allegata, e realizzando un relativo sistema di controllo, secondo la rivendicazione 5, alle quali qui si rinvia per brevità espositiva.

Altre caratteristiche applicative e tecniche di dettaglio rispettivamente del procedimento e del sistema dell’invenzione sono descritte nelle corrispondenti rivendicazioni dipendenti.

Vantaggiosamente, l’invenzione implementa un sistema di controllo del componente switching (inverter) della corrente erogata nell’arco elettrico, adatto a variare, oltre al duty-cycle, anche la frequenza di lavoro, in modo da adattarla alle esigenze del processo di saldatura.

In particolare, il sistema di controllo utilizza alte frequenze di commutazione quando il processo di saldatura necessita di dinamiche molto elevate, mentre, viceversa, usa frequenze di commutazione gradualmente decrescenti quando il processo di saldatura non necessita di dinamiche elevate ed è, invece, preferibile ridurre al minimo le dissipazioni di potenza dovute alle frequenti commutazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del procedimento per il controllo della corrente d’arco erogata nei processi di saldatura e del sistema ad esso relativo, entrambi oggetto dell’attuale invenzione, risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione che segue, relativa ad una esemplificativa e preferita, ma non limitativa, forma esecutiva, così come dal disegno annesso (fig. 1), che mostra uno schema a blocchi di massima di un circuito di controllo della corrente d’arco erogata nei processi di saldatura, secondo la presente invenzione.

Con riferimento alla figura 1 menzionata, il circuito di controllo della corrente d’arco dell’invenzione comprende essenzialmente un ingresso 10, connesso alla rete di alimentazione monofase o trifase 11, un’uscita 12, un dispositivo trasformatore 13 (a singola fase o multifase), posto a valle di un componente switching di potenza 14, controllabile e composto sostanzialmente da un elemento raddrizzatore 15 del segnale di ingresso 10 e da un inverter 16.

E’ possibile altresì impiegare un ulteriore elemento raddrizzatore 17, posto a valle del trasformatore 13. In pratica, il segnale di tensione o di corrente alternata monofase o trifase presente all’ingresso 10 è raddrizzato e convertito in un rispettivo segnale di tensione o di corrente continua a valle del dispositivo 15, ove risulta altresì livellato grazie alla presenza del condensatore 18.

A valle dell’inverter 16, il segnale di tensione o di corrente risulta nuovamente alternato e modulato in frequenza (con duty-cycle fisso) e/o in larghezza di impulso (modulazione di duty-cycle con frequenza fissa, ad esempio pari a circa 100 kHz).

L’inverter 16 è connesso con un circuito elettronico di controllo 19, pilotato da una logica a microprocessore 20, che è a sua volta basata su un programma software di gestione, che determina gli impulsi di tensione o di corrente, la forma di tali impulsi e la modulazione (in frequenza o in duty-cycle) desiderata.

Il segnale di tensione o di corrente alternata viene quindi inviato al trasformatore 13 ed al dispositivo raddrizzatore 17, in modo da risultare nuovamente un segnale di tensione o di corrente continua all’uscita 12, ove è connessa la torcia di saldatura.

In particolare, secondo l’invenzione, il circuito di controllo digitale 19 è programmato da un algoritmo della logica elettronica 20 preposto a scegliere una modulazione di frequenza o di duty-cycle del segnale che giunge all’inverter 16, per regolare un valore di tensione o di corrente di riferimento all’uscita 12. Quindi, si ottengono massime variabilità dei segnali di tensione o di corrente alternata e/o continua, garantendo nello stesso tempo minime frequenza di commutazione, nonché massime frequenze di modulazione abbinate a minime variabilità dei segnali.

In particolare, il sistema di controllo secondo l’invenzione è in grado di determinare la minima frequenza di commutazione del componente switching 14 in funzione della tensione o della corrente desiderata all’uscita 12 (tensione o corrente di set), della potenza di trasferimento (che dipende dalla tensione o corrente di set e dal carico applicato), della dinamica desiderata (intesa come variazione della tensione o della corrente di set per unità di tempo) e della tensione o corrente minima di trasferimento.

In pratica, modulando sia la frequenza che il dutycycle, l’algoritmo del circuito di controllo 19 è in grado di determinare i valori di frequenza e di dutycycle migliori per la particolare applicazione svolta, tenendo conto altresì dei valori precedenti.

Nello specifico, il circuito di controllo 19 utilizza alte frequenze di commutazione quando il processo di saldatura necessita di dinamiche molto elevate (a correnti medio/basse e per intervalli di tempo anche estremamente ridotti, quando non influiscono più di tanto i fenomeni di dissipazione), mentre usa frequenze di commutazione che decrescono progressivamente quando il processo di saldatura non necessita di dinamiche elevate (a correnti elevate) ed è preferibile minimizzare le dissipazioni di commutazione.

Dalla descrizione appena effettuata, risultano, pertanto, chiare le caratteristiche del procedimento e del sistema per il controllo della corrente d’arco erogata nei processi di saldatura, che sono oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

E’ chiaro, infine, che numerose altre varianti possono essere apportate al procedimento ed al sistema di controllo in questione, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell’idea inventiva, così come è chiaro che, nella pratica attuazione dell’invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituiti con altri tecnicamente equivalenti.

Ove le caratteristiche costruttive e le tecniche menzionate nelle successive rivendicazioni siano seguite da segni o numeri di riferimento, tali segni di riferimento sono stati introdotti con il solo obiettivo di aumentare l’intelligibilità delle rivendicazioni stesse e, di conseguenza, essi non presentano alcun effetto limitante sull’interpretazione di ciascun elemento identificato, a titolo puramente di esempio, da tali segni di riferimento.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il controllo della corrente d’arco erogata nei processi di saldatura caratterizzato dal fatto di prevedere una variazione e/o modulazione sia della frequenza di lavoro che della larghezza di impulso del segnale in uscita da almeno un componente switching (14), in modo da realizzare una forma d’onda desiderata del segnale in uscita (12).
2. 2. Procedimento come alla rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che, una volta fissato un determinato valore di frequenza di lavoro, detta larghezza di impulso è modulabile per ottenere detta forma d’onda desiderata.
3. 3. Procedimento come alla rivendicazione 1) o 2) caratterizzato dal fatto che valori di frequenza di commutazione di detto componente switching (14) sono determinati in funzione di un segnale di tensione o di corrente in uscita (12) desiderato, della potenza di trasferimento, della variazione di detto segnale di tensione o di corrente in uscita (12) per unità di tempo e della tensione o corrente minima di trasferimento.
4. 4. Procedimento come alla rivendicazione 3) caratterizzato dal fatto che si impiegano alti valori di frequenza di commutazione quando il processo di saldatura necessita di dinamiche elevate, mentre si impiegano valori di frequenza di commutazione progressivamente decrescenti quando il processo di saldatura non necessita di dinamiche elevate, riducendo al contempo le dissipazioni di potenza.
5. 5. Sistema di controllo della corrente d’arco erogata nei processi di saldatura, comprendente essenzialmente almeno un ingresso (10), connesso ad una rete di alimentazione (11), almeno un’uscita (12) ed almeno un dispositivo trasformatore (13), posto a valle di almeno un componente switching (14), in modo che un segnale di tensione o di corrente alternata presente a detto ingresso (10) sia raddrizzato e convertito in un rispettivo segnale di tensione o di corrente continua a valle di almeno un dispositivo raddrizzatore (15), detto segnale di tensione o di corrente risultando nuovamente alternato e modulato in frequenza e/o in larghezza di impulso a valle di almeno un inverter (16) di cui è composto detto componente switching (14) ed essendo altresì inviato a detto trasformatore (13) in modo da essere costituito da un segnale di tensione o di corrente continua a detta uscita (12), ove è connessa almeno una torcia di saldatura, caratterizzato dal fatto che detto inverter (16) è connesso con un circuito elettronico di controllo (19, 20), pilotato da un algoritmo atto ad impartire una modulazione di frequenza e di larghezza di impulso del segnale che giunge all’inverter (16), al fine di regolare un valore di tensione o di corrente di riferimento all’uscita (12).
6. 6. Sistema come alla rivendicazione 5) caratterizzato dal fatto che detto circuito elettronico di controllo (19, 20) determina un valore di frequenza di commutazione di detto componente switching (14) in funzione di almeno un valore prefissato di tensione o di corrente presente all’uscita (12), della potenza di trasferimento, della variazione di detto valore prefissato di tensione o corrente per unità di tempo e di almeno un valore di tensione o corrente minimo di trasferimento.
7. 7. Sistema come alla rivendicazione 5) o 6), caratterizzato dal fatto che detto algoritmo del circuito di controllo (19, 20), modulando sia la frequenza che la larghezza di impulso, determina valori di frequenza e di larghezza di impulso predeterminati e desiderati, in funzione di una prefissata applicazione.
8. 8. Sistema come una qualsiasi delle rivendicazioni da 5) a 7) caratterizzato dal fatto che detto algoritmo del circuito di controllo (19, 20) impiega alti valori di frequenza di commutazione quando il processo di saldatura necessita di dinamiche elevate, a correnti medio/basse e per intervalli di tempo ridotti ed impiega valori di frequenza di commutazione che decrescono gradualmente quando il processo di saldatura non necessita di dinamiche elevate, a correnti elevate e quando è necessario ridurre le dissipazioni di commutazione.