Робимо зварювальний апарат самостійно

Багато конструкцій в побуті (в гаражі, на дачі, будинки і т.д.) важко побудувати без застосування зварювання, особливо електродугової. В даний час на прилавках магазинів зявилася велика кількість електрозварювальних апаратів як імпортного, так і вітчизняного виробництва. Хороші апарати коштують дорого, а більш дешеві не завжди забезпечують якість зварювальних робіт. У запропонованій статті хотілося б поділитися деякими міркуваннями в основному практичного характеру з конструювання аматорських зварювальних апаратів (С.А.) на основеаналіза раніше опублікованих
матеріалів. Це допоможе не тільки в самостійному виготовленні аматорського С.А., але і при виборі та купівлі вже готових зварювальних апаратів.

Зварювальні апарати бувають постійного і змінного струму.

С.А. постійного струму використовуються при зварюванні на малих токах тонколистового металу (покрівельна сталь, автомобільна і т.д.). Зварювальний дуга на постійному струмі більш стійка, можливе зварювання на прямий і зворотній полярності. На постійному струмі можна варити електродної дротом без обмазки і електродами, призначеними для зварювання, як на постійному струмі, так і на змінному. Для додання стійкості горіння дуги на малих токах бажано мати підвищену напругу холостого ходу Uxxсварочной обмотки (до 70 - 75 В). Для випрямлення змінного струму використовуються найпростіші «мостові» випрямлячі на потужних діодах з радіаторами охолодження (рис. 1).

Для згладжування пульсацій напруги один з висновків С.А. А підєднують до держателю електродів через дросель L1, що представляє собою котушку з 10 - 15 витків мідної шини перетином S = 35 мм^2,  намотаною на будь-якому осерді, наприклад, від магнітного пускача. Для випрямлення і плавного регулювання зварювального струму використовуються більш складні схеми з використанням потужних керованих тиристорів. Одна з можливих схем на тиристорах типу Т161 (Т160) приведена в статті А.Чернова «І зарядить і приварити» (Моделіст-конструктор, 1994, № 9). Переваги регуляторів постійного струму - в їх універсальності. Діапазон зміни ними напружень становить 0,1-0,9 Uxx, що дозволяє використовувати їх не тільки для плавного регулювання струму зварювання, а й для зарядки акумуляторних батарей, харчування електронагрівальних елементів і інших цілей.

Мал. 1. Мостовий випрямляч для зварювального апарату. Показано підключення С.А. для зварювання тонколистового металу на "зворотної" полярності - "+" на електроді, "-" на зварюваної деталі U2: - вихідна змінна напруга зварювального апарату

Зварювальні апарати змінного струму застосовуються при зварюванні електродами, діаметр яких більше 1,6 - 2 мм, а товщина зварювальних виробів - понад 1,5 мм. При цьому струм зварювання значний (десятки ампер) і дуга горить досить стійко. Використовуються електроди, призначені для зварювання тільки на змінному струмі. Для нормальної роботи зварювального апарату необхідно:

1. Забезпечити вихідна напруга для надійного запалювання дуги. Для аматорського С.А. Uxx = 60 - 65в. Більш високу вихідну напругу холостого ходу не рекомендується, що повязано в основному з забезпеченням безпеки роботи (Uxxпромишленних зварювальних апаратів - до 70 - 75 В).
2. Забезпечити напруга зварювання Uсв, необхідне для стійкого горіння дуги. Залежно від діаметра електрода - Uсв = 18 - 24в.
3. Забезпечити номінальний зварювальний струм I св = (30 - 40) d е, де Iсв- величина зварювального струму, А-30 - 40 - коефіцієнт, що залежить від типу і діаметра електрода d е - діаметр електрода, мм.
4. Обмежити струм короткого замикання Iкз, величина якого не повинна перевищувати номінальний зварювальний струм більш ніж на 30 - 35%.

Сталий горіння дуги можливо в тому випадку, якщо зварювальний апарат буде володіти падаючої зовнішньої характеристикою, яка визначає залежність між силою струму і напругою в зварювального ланцюга (рис. 2).

С.А. показує, що для грубого (ступеневої) перекриття діапазону зварювальних струмів необхідна комутація як первинних обмоток, так і вторинних (що конструктивно складніше через велику протікає в ній струму). Крім того, для плавної зміни струму зварювання в межах обраного діапазону використовуються механічні пристрої переміщення обмоток. При видаленні зварювальної обмотки щодо мережевий збільшуються магнітні потоки розсіювання, що призводить до зниження струму зварювання.

Конструюючи аматорський С.А., не слід прагнути до повного перекриття діапазону зварювальних струмів. Доцільно на першому етапі зібрати зварювальний апарат для роботи з електродами діаметром 2 - 4 мм, а на другому етапі, в разі необхідності роботи на малих токах зварювання, доповнити його окремим випрямним пристроєм з плавним регулюванням зварювального струму. Аматорські зварювальні апарати повинні задовольняти ряду вимог, основні з яких наступні: відносна компактність і невелика вага-достатня тривалість роботи (не менше 5 - 7 електродів d е = 3 - 4 мм) від мережі 220в.

Вага і габарити апарату можуть бути знижені завдяки зменшенню його потужності, а збільшення тривалості роботи - завдяки використанню стали з високою магнітною проникністю і теплостійкою ізоляції обмотувальних проводів. Ці вимоги нескладно виконати, знаючи основи конструювання зварювальних апаратів і дотримуючись запропонованої технології їх виготовлення.

Мал. 2. Падаюча зовнішня характеристика зварювального апарату: 1 - сімейство характеристик для різних діапазонів сваркі- Iсв2, Iсвз, Iсв4 - діапазони струмів зварювання для електродів діаметром 2, 3 і 4 мм відповідно-Uxx- напруга холостого ходу СА. Iкз - струм короткого замиканія- Ucв -діапазон напруг зварювання (18 - 24 В).

Мал. 3. Магнитопровод стрижневого типу: а - пластини Г-образної форми-б - пластини П-подібної форми-в - пластини з смуг трансформаторної сталі-S = axb- площа поперечного перерізу сердечника (керна), см² с, d- розміри вікна, см.

Отже, вибір типу сердечника. Для виготовлення зварювальних апаратів використовують в основному магнітопроводи стрижневого типу, оскільки у виконанні вони більш технологічні. Сердечник набирають з пластин електротехнічної сталі будь-якої конфігурації товщиною 0,35 0,55 мм, стягнутих шпильками, ізольованими від сердечника (рис. 3). При підборі сердечника необхідно враховувати розміри "вікна", щоб помістилися обмотки зварювального апарату, і площа поперечного перерізу сердечника (керна) S = axb, см². Як показує практика, не слід вибирати мінімальні значення S = 25 - 35 см, оскільки зварювальний апарат не володітиме необхідним запасом потужності і якісне зварювання отримати буде важко. Та й перегрів зварювального апарату після нетривалої роботи також неминучий.

Перетин сердечника має становити S = 45 - 55 см². Зварювальний апарат буде трохи важче, але не підведе! Дедалі більшого поширення набувають аматорські зварювальні апарати на сердечниках тороїдального типу, які володіють більш високими електротехнічними характеристиками, приблизно в 4 - 5 разів вище, ніж у стрижневого, а електропотері невеликі. Трудовитрати на їх виготовлення більш значні і повязані в першу чергу з розміщенням обмоток на торі і складністю самої намотування.

Однак при правильному підході вони дають хороші результати. Сердечники виготовляють з стрічкового трансформаторного заліза, згорнутого в рулон в формі тора. Прикладом може служити сердечник з автотрансформатора «Латр» на 9 А. Для збільшення внутрішнього діаметра тора ( «вікна») з внутрішньої сторони відмотують частина сталевої стрічки і намотують на зовнішню сторону сердечника. Але, як показує практика, одного «Латра» недостатньо для виготовлення якісного С.А. (Мало перетин S). Навіть після роботи з 1 - 2 електродами діаметром 3 мм він перегрівається. Можливе використання двох подібних сердечників за схемою, описаною в статті Б.Соколова «Зварювальний малюк» (Сам, 1993, № 1), або виготовлення одного сердечника шляхом перемотування двох (рис. 4).

Мал. 4. Магнитопровод тороїдального типу: 1.2 - сердечник автотрансформатора до і після перемоткі- 3 конструкція С.А. на базі двох тороїдальних сердечніков- W1¹W1² - Мережеві обмотки, включені паралельно-W₂- Зварювальний обмотка- S = axb- площа поперечного перерізу сердечника, см² , с, d- внутрішній і зовнішній діаметри тора, см-4 - електрична схема С.А. на базі двох зістикованих тороїдальних сердечників.

На особливу увагу заслуговують аматорські С.А., виготовлені на базі статорів асинхронних трифазних електродвигунів великої потужності (більше 10 кВт). Вибір сердечника визначається площею поперечного перерізу статора S. Штамповані пластини статора не в повній мірі відповідають параметрам електротехнічної трансформаторної сталі, тому зменшувати перетин S менше 40 - 45 см недоцільно.

Статор звільняють від корпусу, видаляють з внутрішніх пазів статорні обмотки, зрубують зубилом перемички пазів, захищають внутрішню поверхню напилком або абразивним кругом, скругляют гострі кромки сердечника і обмотують його щільно, з перекриттям бавовняної ізоляційною стрічкою. Сердечник готовий для намотування обмоток.

Вибір обмоток. Для первинних (мережевих) обмоток краще використовувати спеціальний мідний обмотувальний провід в х.б. (Стеклотканевой) ізоляції. Задовільною теплостійкістю володіють також дроти в гумовій або гумовотканинної ізоляції. Непридатні для роботи при підвищеній температурі (а це вже закладається в конструкцію аматорського С.А.) дроти в поліхлорвінілової (ПХВ) ізоляції через можливе її розплавлення, витікання з обмоток і їх короткого замикання. Тому полихлорвиниловую ізоляцію з проводів необхідно або зняти і обмотати дроти по всій довжині х.б. ізоляційною стрічкою, або не знімати, а обмотати дріт поверх ізоляції. Можливий і інший перевірений на практиці спосіб намотування. Але про це нижче.

При підборі перетину обмотувальних проводів з урахуванням специфіки роботи С.А. (Періодичний) допускаємо щільність струму 5 А / мм². При струмі зварювання 130 - 160 А (електрод d е = 4 мм) потужність вторинної обмотки складе Р₂ = Iсв х 160x24 = 3,5 - 4 кВт, потужність первинної обмотки з урахуванням втрат складе близько 5 5,5 кВт, а отже, максимальний струм первинної обмотки може досягати 25 А. Отже, перетин дроту первинної обмотки S₁ має бути не менше 5 - 6 мм. На практиці бажано використовувати провід перетином 6 - 7 мм^2. Або це прямокутна шина, або мідний обмотувальний дріт діаметром (без ізоляції) 2,6 - 3 мм. (Розрахунок за відомою формулою S = піR^2, де S- площа кола, мм²  пі = 3,1428- R- радіус кола, мм.) При недостатньому перерізі одного проводу можливе намотування в два. При використанні алюмінієвого проводу його перетин необхідно збільшити в 1,6 - 1,7 рази. Чи можна зменшити перетин дроту мережевий обмотки? Так можна. Але при цьому С.А. втратить необхідний запас потужності, буде нагріватися швидше, та й рекомендований перетин керна S = 45 - 55 см в цьому випадку буде невиправдано велика. Число витків первинної обмотки W₁ визначається з наступного співвідношення: W₁ = [(30 - 50): S] х U₁де 30-50 - постійний коеффіціент- S- перетин керна, см² , W₁ = 240 витків з відводами від 165, 190 і 215 витків, тобто через кожні 25 витків.

Більша кількість відводів мережевий обмотки, як показує практика, недоцільно. І ось чому. За рахунок зменшення числа витків первинної обмотки збільшується як потужність С.А., так і Uxx, що призводить до підвищення напруги горіння дуги і погіршення якості зварювання. Отже, тільки зміною числа витків первинної обмотки домогтися перекриття діапазону зварювальних струмів без погіршення якості зварювання не можна. Для цього необхідно передбачити перемикання витків вторинної (зварювальної) обмотки W_2.

Вторинна обмотка W₂ повинна містити 65 - 70 витків мідної ізольованою шини перерізом не менше 25 мм (краще перетином 35 мм). Цілком підійде і гнучкий багатожильний провід (наприклад, зварювальний) і трифазний силовий багатожильний кабель. Головне, перетин силовий обмотки не повинно бути менше необхідного, а ізоляція - теплостійкою й надійної. При недостатньому перерізі дроту можливе намотування в два і навіть в три дроти. При використанні алюмінієвого проводу його перетин необхідно збільшити в 1,6 - 1,7 рази.

Мал. 5. Кріплення висновків обмоток СА: 1 - корпус СА 2 - шайби- 3 - клемний болт- 4 - гайка- 5 - мідний наконечник з проводом.

Труднощі придбання перемикачів на великі струми, та й практика показують, що найбільш просто висновки зварювальної обмотки завести через мідні наконечники під клемні болти діаметром 8 - 10 мм (рис. 5). Мідні наконечники виготовляють з мідних трубок відповідного діаметру завдовжки 25 - 30 мм і кріплять на проводах обпресуванням і бажано пропайкой. Особливо зупинимося на порядку намотування обмоток. Загальні правила:

1. Намотування повинна проводитися по ізольованому керну і завжди в одному напрямку (наприклад, за годинниковою стрілкою).
2. Кожен шар обмотки ізолюють шаром х.б. ізоляції (склотканини, електрокартону, кальки), бажано з просоченням бакелітовим лаком.
3. Висновки обмоток залужівает, маркують, закріплюють х.б. тасьмою, на висновки мережевий обмотки додатково надягають х.б. кембрік.
4. У Вас виникли сумніви щодо якості ізоляції намотування можна проводити з використанням х / б шнура як би в два дроти (автор використав х.б. нитка для рибальства). Після намотування одного шару обмотку з х.б. ниткою фіксують клеєм, лаком і т.д. і після висихання намотують наступний ряд.

Розглянемо порядок розташування обмоток на магнітопроводі стрижневого типу. Мережеву обмотку можна розташувати двома основними способами. Перший спосіб дозволяє отримати більш «жорсткий» режим зварювання. Мережева обмотка в цьому випадку складається з двох однакових обмоток W₁W_2, розташованих на різних сторонах сердечника, зєднаних послідовно і мають однаковий перетин проводів. Для регулювання вихідного струму на кожній з обмоток зроблені відводи, які попарно замикаються (рис. 6а, в).

Другий спосіб передбачає намотування первинної (мережевий) обмотки на одній зі сторін сердечника (рис. 6 в, г). В цьому випадку СА має крутопадаючих характеристикою, варить «мяко», довжина дуги менше впливає на величину зварювального струму, а отже, і на якість зварювання. Після намотування первинної обмотки СА необхідно перевірити на наявність короткозамкнених витків і правильність обраного числа витків. Зварювальний трансформатор включають в мережу через запобіжник (4 - 6А) та бажано амперметр змінного струму. Якщо запобіжники або сильно гріється, то це явна ознака короткозамкнутого витка. Отже, первинну обмотку доведеться перемотати, звернувши особливу увагу на якість ізоляції.

Мал. 6. Способи намотування обмоток СА на осерді стрижневого типу: а - мережева обмотка на двох сторонах сердечніка- б - відповідна їй вторинна (зварювальний) обмотка, включена зустрічно-паралельно-в - мережева обмотка на одній стороні сердечніка- г - відповідна їй вторинна обмотка , включена послідовно.

Якщо зварювальний апарат сильно гуде, а споживаний струм перевищує 2 - 3 А, то це означає, що число первинної обмотки занижено і необхідно подмотать ще кілька витків. Справний СА споживає струм холостого ходу не більше 1 - 1,5 А, не гріється і гуде не сильно. Вторинну обмотку СА завжди намотують на двох сторонах сердечника. Для першого способу намотування вторинна обмотка також складається з двох однакових половин, включених для підвищення стійкості горіння дуги (рис. 6) зустрічно-паралельно, а перетин дроту можна взяти трохи менше - 15 - 20 мм² .

Для другого способу намотування основна зварювальний обмотка W₂¹намотується на вільної від обмоток стороні сердечника і становить 60 - 65% від загального числа витків вторинної обмотки. Вона служить в основному для підпалу дуги, а під час зварювання, за рахунок різкого збільшення магнітного потоку розсіювання, напруга на ній падає на 80 - 90%. Додаткова зварювальний обмотка W₂² намотується поверх первинної. Будучи силовий, вона підтримує в необхідних межах напруга зварювання, а отже, і зварювальний струм. Напруга на ній падає в режимі зварювання на 20 - 25% відносно напруги холостого ходу. Після виготовлення С.А необхідно провести його налаштування і перевірку якості зварювання електродами різного діаметру. Процес настройки полягає в наступному. Для вимірювання зварювального струму і напруги необхідно придбати два електровимірювальних приладу - амперметр змінного струму на 180 200 А і вольтметр змінного струму на 70 - 80в.

Мал. 7. Способи намотування обмоток СА на осерді тороїдального типу: 1.2 - рівномірна і секційна намотування обмоток відповідно: а - мережева б - силова.

Мал. 8. Схема підключення вимірювальних приладів.

Схема їх підключення показана на рис. 8. При зварюванні різними електродами знімають значення струму зварювання - Iсв і напруги зварювання Uсв, які повинні бути в необхідних межах. Якщо зварювальний струм малий, що буває найчастіше (електрод липне, дуга нестійка), то в цьому випадку або перемиканням первинної і вторинної обмоток встановлюють необхідні значення, або перерозподіляють кількість витків вторинної обмотки (без їх збільшення) в сторону збільшення числа витків, намотаних поверх мережевий обмотки. Після зварювання можна зробити розлом або розпилювання кромок зварювальних виробів, і відразу стане ясно якість зварювання: глибина провару і товщина наплавленого шару металу. За результатами вимірювань корисно скласти таблицю.

Виходячи з даних таблиці, вибирають оптимальні режими зварювання для електродів різного діаметру, памятаючи про те, що при зварюванні електродами, наприклад, діаметром 3 мм, електродами діаметром 2 мм можна різати, тому що ток різання більше зварювального на 30 -25%. Труднощі покупки вимірювальних приладів, рекомендованих вище, змусила автора при бегнуть до виготовлення вимірювальної схеми (рис. 9) на базі найбільш поширеного миллиамперметра постійного струму на 1-10 мА. Вона складається з датчиків напруги і струму, зібраних по бруківці схемою.

Мал. 9. Принципова схема вимірників напруги і струму зварювання і конструкція трансформатора струму.

Вимірювач напруги підключають до вихідний (зварювальної) обмотці С.А. Налаштування здійснюють за допомогою будь-якого тестера, яким контролюють вихідна напруга зварювання. За допомогою змінного опору R.3 стрілку приладу встановлюють на кінцеве поділ шкали при максимальному значенні UxxШкала вимірювача напруги досить лінійна. Для більшої точності можна зняти дві - три контрольні точки і проградуювати вимірювальний прилад на вимір напруг.

Більш складно налаштувати вимірювач струму, оскільки він підключається до самостійно виготовленому трансформатору струму. Останній являє собою сердечник тороїдального типу з двома обмотками. Розміри сердечника (зовнішній діаметр 35-40 мм) принципового значення не мають, головне, щоб вмістилися обмотки. Матеріал сердечника - трансформаторна сталь, пермаллой або ферит. Вторинна обмотка складається з 600 - 700 витків мідного ізольованого проводу марки ПЕЛ, ПЕВ, краще ПЕЛШО діаметром 0,2 - 0,25 мм і підключена до вимірника струму. Первинна обмотка - це силовий провід, що проходить всередині кільця і підключається до клемних болта (рис. 9). Налаштування вимірювача струму полягає в наступному. До силової (зварювальної) обмотці С.А. підключають калібрований опір з товстої ніхромового дроту на 1 - 2 сек (сильно гріється) і вимірюють напругу на виході С.А. за закону Ома визначають струм, що протікає в зварювальної обмотці. Наприклад, при підключенні Rн = 0,2ом U вих = 30в.

Відзначають точку на шкалі приладу. Трьох - чотирьох вимірювань з різними R_H досить, щоб відкалібрувати вимірювач струму. Після калібрування прилади встановлюють на корпус С.А, користуючись загальноприйнятими рекомендаціями. При зварюванні в різних умовах (сильна або слабкострумова мережу, довгий або короткий підвідний кабель, його перетин і т.д.) перемиканням обмоток налаштовують С.А. на оптимальний режим зварювання, і далі перемикач можна встановити в нейтральне положення. Кілька слів про контактно-точкового зварювання. До конструювання С.А. даного типу предявляється ряд специфічних вимог:

1. Потужність, що віддається в момент зварювання, повинна бути максимальною, але не більше 5-5,5 кВт. В цьому випадку споживаний з мережі струм не перевищить 25 А.
2. Режим зварювання повинен бути «жорстким», а отже, намотування обмоток С.А. повинна проводитися за першим варіантом.
3. Струми, що протікають в зварювальної обмотці, досягають значень 1500-2000 А і вище. Отже, напруга зварювання повинно бути не більше 2-2,5в, а напруга холостого ходу - 6-10в.
4. Перетин проводів первинної обмотки не менше 6-7 мм, а перетин вторинної обмотки не менше 200 мм. Досягають такого перетину проводів шляхом намотування 4-6 обмоток і їх подальшого паралельного зєднання.
5. Додаткових відводів від первинної і вторинної обмоток робити недоцільно.
6. Число витків первинної обмотки можна взяти мінімально розрахункове в звязку з короткочасністю роботи С.А.
7. Перетин сердечника (керна) менше 45-50 см брати не рекомендується.
8. Зварювальні наконечники і підводні кабелі до них повинні бути мідними і пропускати відповідні струми (діаметр наконечників 12-14 мм).

Особливий клас аматорських С.А. представляють апарати, виготовлені на базі промислових освітлювальних та інших трансформаторів (2-3 фазних) на вихідну напругу 36в і потужністю не менше 2,5-3 кВт. Але перш ніж братися за переробку, необхідно виміряти перетин керна, яке повинно бути не менше 25 см, і діаметри первинної і вторинної обмоток. Вам відразу стане ясно, чого можна чекати від переробки даного трансформатора.

І на закінчення декілька технологічних рад.

Підключення зварювального апарату до мережі повинно виконуватись проводом перетином 6-7 мм через автомат на струм 25- 50 А, наприклад АП-50. Діаметр електрода в залежності від товщини зварюваного металу можна вибрати, виходячи з наступного співвідношення: da = (1-1,5) L, де L- товщина зварюваного металу, мм.

Довжина дуги вибирається в залежності від діаметра електрода і в середньому дорівнює 0,5-1,1 d3. Рекомендується виконувати зварювання короткої дугою 2-3 мм, напруга якої одно 18-24 В. Збільшення довжини дуги призводить до порушення стабільності її горіння, підвищення втрат на чад і розбризкування, зниження глибини проплавлення основного металу. Чим довше дуга, тим вище напруга зварювання. Швидкість зварювання вибирає зварювальник в залежності від марки і товщини металу.

При зварюванні на прямій полярності плюс (анод) підєднують до деталі і мінус (катод) - до електрода. Якщо необхідно, щоб на деталі виділялося меншу кількість тепла, наприклад, при зварюванні тонколистових конструкцій, застосовують зварювання на зворотній полярності (рис. 1). В цьому випадку мінус (катод) приєднують до деталі, що зварюється, а плюс (анод) - до електрода. При цьому не тільки забезпечується менше нагрівання деталі, що зварюється, але і прискорюється процес розплавлення електродного металу за рахунок більш високої температури анодної зони і більшого підведення тепла.

Зварювальні дроти приєднують до СА через мідні наконечники під клемні болти з зовнішнього боку корпусу зварювального апарату. Погані контактні зєднання знижують потужності характеристики СА, погіршують якість зварювання і можуть викликати їх перегрів і навіть загоряння проводів. При невеликій довжині зварювальних проводів (4-6 м) перетин їх має бути не менше 25 мм. При виконанні зварювальних робіт необхідно дотримуватися правил пожежної та електробезпеки при роботі з електроприладами.

Зварювальні роботи слід вести в спеціальній масці із захисним склом марки С5 (на струми до 150-160 А) і рукавицях. Всі перемикання СА виконувати тільки після відключення зварювального апарату від мережі.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!