Малопотужні Електрозварювальне АПАРАТ

Цілком очевидно, що багато домашні проблеми (не тільки радіоаматорській) були б легко дозволені, будь під рукою невеликий зварювальний апарат. Наявні в продажі промислові апарати вельми дороги, часто громіздкі і важкі, деяким з них потрібна трифазна мережа. Створення ж саморобної електрозварювального апарату пов'язане з певними труднощами (такими, наприклад, як відсутність точної інформації про межі зміни електричних параметрів приладу в процесі зварювання). У цій статті описані два варіанти зварювального апарату, дані рекомендації щодо розрахунку та вибору компонентів. В основу конструкції автор поклав порівняно рідко використовується принцип отримання "падаючої" характеристики – управління кутом відсічення напруги живлення.

Процес зварювання (без подачі інертного або каталітичного газу) полягає у створенні умов для освіти електричної дуги при напрузі 50 … 80 В між електродом і деталей, що зварюються і подальшим підтриманням дуги при напрузі 18 … 25 В для розплавлення матеріалу деталей і електрода. Для цього необхідний джерело струму з так званої "падаючої" вольт-амперної характеристикою [1].

На рис. 1 показана типова статична ВАХ дуги. При накладенні на неї вихідний ВАХ зварювального трансформатора легко бачити, що стійкою точкою підтримки дуги є точка А, причому збільшення крутизни "падіння" характеристики зварювального трансформатора призводить до ще більшої стабілізації дуги.

Вольт-амперна характеристика

В апаратах змінного струму, що працюють від однофазної мережі, дуга повинна виникати при кожному напівперіод живлячої напруги, що робить більш жорсткими вимоги до апарату та матеріалу електрода, ніж при зварюванні постійним струмом або трифазним.

При виготовленні апарату дугового зварювання часто намагаються копіювати промислові зразки, які для забезпечення падаючої характеристики здебільшого виконані на основі магнігопровода з підвищеним магнітним розсіюванням або дроселя [1, 2]. В умовах домашньої лабораторії на зазначених принципах важко створити апарат з гарними масо-габаритними показниками, крім того, він нездібний задовільно працювати в режимі контактного зварювання [2], яка представляє для радіоаматорів великий інтерес.

Існує принцип формування "падаючої" ВАХ способом управління кутом відсічення синусоїдальної напруги, що дозволяє вирішити проблеми зниження маси апарату, а також розширити можливості його застосування. На рис. 2 показана функціональна схема зварювального апарату, що працює за цим принципом. Напруга вторинної обмотки трансформатора U2 Т1 в момент замикання контактів комутатора струму S1 надходить на зварювальний електрод. Якщо замикати контакти комутатора в другій половині напівперіод напруги мережі (у момент Tз, рис. 3, а), то первинний рівень напруги Uз забезпечить освіта електричної дуги, а падаюча характеристика буде наслідком зміни миттєвого напруги Un по синусоїдальній закону.

Функціональна схема зварювального апарату

Для апаратів, що працюють на малих значеннях зварювального струму, необхідно забезпечити крутопадаючих характеристику. Цього досягають вибором числа витків вторинної обмотки. На рис. 3.б показано, як можна змінювати крутість характеристики при одному і тому ж напрузі запалювання дуги. Таким чином, в апараті з управлінням кутом відсічення вторинної напруги є всі умови для освіти електричної дуги і можливість регулювання потужності.

Іншою вимогою до апаратів є забезпечення необхідного часу відновлення напруги запалювання після замикання ланцюга електрод-деталь (краплями розплаву і т. п.) – не більше 50 мс. В апараті описуваної структури це вимога виконується автоматично при високому швидкодії комутатора S1. Оптимізації процесу для конкретного діаметра електрода, матеріалу деталі і т. п. домагаються вибором моменту замикання контактів комутатора S1 (Tз на рис. 3, а).

При побудові зварювального апарату переважно застосування тороїдального магнітопроводу, що володіє мінімальними габаритами і полем розсіювання. Зміною часу комутації Tз можна перекласти апарат у режим жорсткої вихідної характеристики, що перетворить його на потужне джерело змінного або випрямленого напруги, який може працювати, наприклад, зарядним пристроєм, або в установці точкового контактного зварювання.

Слід зазначити, що проведення точного розрахунку магнітопровода трансформатора недоцільно, тому що в радіоаматорських умовах доводиться задовольнятися тим, що є. Більш того, зазвичай невідома ні марка, ні технологія прокатки електротехнічної сталі магнітопровода, а однією магнітної проникності (яку, загалом, неважко визначити) для розрахунку недостатньо. Можна рекомендувати наступну методику розрахунку орієнтовного трансформатора.

Спочатку знаходять необхідну потужність. Основним критерієм тут служить максимальний діаметр електрода, що визначає зразкову діюче значення зварювального струму. Так, для електрода діаметром 1,5 мм зварювальний струм повинен бути в межах 25 … 40 А, для 2 мм – 60 … 70 А, для 3 – 100 … 140, для 4 – 160 … 200. Потужність трансформатора у ватах дорівнює РТР = 25Icв, де Icв-зварювальний струм в амперах.

Далі визначають перетин магнітопровода в см.кв: S> 0,015 * Р (де Р – у ватах). Для магнітопроводів, відмінних від тороїдального, слід збільшити перетин у 1,3 … 1,5 рази.

Потім обчислюють діаметр в мм проводу первинної обмотки: dI> = 1,13 SQR P/2000. Діаметр в мм проводи вторинної обмот-ки обчислюють за формулою: dII> = 1,13 SQR I / J, де J – щільність струму в А/мм2. При струмі I, меншому 100 А, беруть J рівною 10 А/мм2; при струмі менше 150 А – 8 А/мм2, при струмі менше 200 А – 6 А/мм2. Якщо використовують некруглих провід, його переріз повинен бути рівним перетину круглого . У розрахунку прийнято, що середнє сумарний час горіння дуги не перевищує 20% від середнього сумарного часу пауз між періодами горіння дуги.

Тепер звичайним порядком розраховують умови заповнення обмотками вікна магнітопровода. Співвідношення тут не дано; нагадаємо лише про необхідність уважно поставитися до розрахунку, не забути врахувати товщину шарів ізоляції.

Схема зварювального трансформатора _____ Схема зварювального трансформатора

З урахуванням викладеного були розроблені два варіанти зварювального апарату меншою і більшої потужності, що відрізняються мережевими трансформаторами, схеми яких показані на рис. 4, а і б відповідно. Первинна обмотка обох трансформаторів сконструйована так, щоб можливо було варіювати число витків, включених в мережу. Намотувальні характеристики трансформаторів представлені в таблиці.

Мережевий трансформатор апарату

Обмотка

Число витків

Провід, діаметр, мм (перетин, мм 2 )

Примітки

Меншої потужності (рис. 4, а)

1

240

ПЕВ-2 1,5

2 відводу: від 10-го і 220-го витка

11

40

МГШВ (0,35)

Придатний будь-який провід перетином від 0,2 до 0,75 мм 'з ізоляцією, що допускає роботу при температурі не менше +80 ° С

III
IV-V11

20 по 5

ПВЗ (10) ПВЗ (10)

Можливе використання проводи ПВЗ перетином 6 мм 2 при намотуванні в "два проводу"

Більшої потужності (рис. 4,6)

1

185

ПЕВ-2 1,8

3 відведення: від 20-го, 30-го та 135-го витка

11

40

МГШВ (0,35)

Придатний будь-який провід перетином від 0,2 до 0,75 мм 2 з ізоляцією, що допускає роботу при температурі не менше +80 ° С

III
IV-IX

9 по 4

(10х3) (10х3)

Можливе використання будь-якого проводу зазначеного перетину з ізоляцією, що має теплостійкість не нижче +80 ° С

Таким чином, мережеве напруга 220 В у першого з трансформаторів (рис. 4, а) може бути підведене до 210, 220, 230 або до 240 витків первинної обмотки, а в другого (рис. 4,6) – до 115, 135, 155, 165 або до 185 витка. Це дозволяє в досить широких межах змінювати коефіцієнт трансформації і разом з комутацією сильнострумовій обмоток III-VII (III-IX) підбирати оптимальний режим зварювання. Для дугового зварювання сильнострумовій обмотки з'єднують послідовно, а для контактного – паралельно.

У мережевому трансформаторі апарату меншої потужності замість проводу ПВЗ (ГОСТ 6323-79) можна використовувати і другий, який допускає роботу при температурі до +80 ° С і має вказане розтин. Магнітопроводи використаний від трансформатора ЛАТР-9 без будь-якої переробки. Первинну обмотку ізолюють стрічкою з Лакотканини або, в крайньому випадку, чорною липкою тканинної ізоляційною стрічкою. При зварюванні електродами діаметром до 2 мм можливе підключення цього апарата до побутової мережі змінного струму напругою 220 В.

Апарат більшої потужності призначений для зварювання електродами діаметром до 4 мм при відповідній потужності джерела живлення. Магнітопроводи складено з двох від трансформаторів ЛАТР-9, у яких внутрішній діаметр збільшений до 80 мм – видалена частина витків сталевої стрічки – для розміщення обмоток. Зняті два відрізки сталевої стрічки намотані на магнітопроводи і закріплені із зовнішнього боку.

На висновки обмоток III-VII трансформатора апарату меншої потужності надягають і пропаівают наконечники з отвором під гвинт М5. Можна використовувати стандартні наконечники 10-5-5 (ГОСТ 7386-80), 10-5-М (ГОСТ 22002.1-82) або вирубати їх зубилом з мідного (латунного) листа товщиною не менше 1 мм. При дугового зварювання обмотки з'єднують послідовно, при контактній – паралельно, як показано на рис. 4. Кількість підключених обмоток може змінюватися в залежності від необхідної крутизни падаючої характеристики при дуговому зварюванні, або для забезпечення допустимого струму через обмотки при контактній зварці. В апараті більшої потужності наконечники не потрібні, отвори під гвинт М5 свердлять безпосередньо у висновках у їх кінця.

Принципова схема вузла керування зварювальним апаратом

Принципова схема вузла керування зварювальним апаратом показана на рис. 5. Змінна напруга, що надходить з обмотки II мережевого трансформатора, перезаряджати конденсатор С1 в кожен напівперіод з постійною часу, яка визначається опором резисторів R1, R2. До висновків конденсатора С1 підключена послідовна ланцюг, що складається з діодного моста VD5 і керуючих переходів тріністоров VS1 і VS2 з розв'язують діодами VD3, VD4. На транзисторах VT1, VT3 зібрано порогове пристрій з регульованим підлаштування резистором R6 порогом спрацьовування.

Як тільки напруга на конденсаторі С1 (покладемо, плюс на верхній за схемою обкладки), збільшуючись, досягне порогового рівня, пристрій спрацьовує і конденсатор розряджається через міст VD5 і керуючий перехід тріністора VS2. На цьому тріністоре в поточному напівперіод пряму напругу, тому він відкривається, пропускаючи струм до місця виникнення зварювальної дуги. Діоди VD4 і VD2 в поточному напівперіод закриті.

У наступному напівперіод змінюється на зворотну полярність напруги на конденсаторі С1. Тому після чергового спрацьовування порогового пристрою виявиться закритим діод VD3 і імпульс розрядки конденсатора відкриє тріністор VS1. Таким чином, зварювальну дугу будуть запалювати імпульси однаковою полярності.

Як вже згадано, поріг спрацьовування можна регулювати резистором R6. При підвищенні порога збільшується потужність імпульсу, який відкриває тріністори, що може знадобитися, коли апарат експлуатують при пониженій навколишній температурі.

Змінний резистор R2 дозволяє змінювати час зарядки конденсатора С1 від початку напівперіод до моменту спрацьовування порогового пристрою, тобто регулювати крутизну падіння характеристики апарата.

Резистор R3 обмежує струм розрядки конденсатора С1 і визначає тривалість імпульсів, що відкривають тріністори VS1, VS2; конденсатор С2 сприяє формуванню фронту і спаду імпульсів. Діод VD6 захищає емітерний перехід транзистора VT3 від перевантаження в момент спаду імпульсу. Транзистор VT2 грає роль слаботочного стабілітрон.

Тумблер SA1 монтують на панелі керування апаратом. Для контактного зварювання цей тумблер доцільно дублювати ножним перемикачем. При масової зварюванні тонколистових деталей вмикати і вимикати апарат можна виконавчими контактами реле часу, які підключаються паралельно тумблери SA1.

Якщо ж зміни порогу спрацьовування не потрібно, порогове пристрій VT1VT3 можна замінити послідовної ланцюгом з резистора опором 51 Ом потужністю 0,5 Вт і діністора КН102Б, підключеної до точок А і Б. Резистор служить обмежувачем струму розрядки конденсатора С1.

У вузлі управління апаратів конденсатор С1 – МБМ або будь-який паперовий на номінальну напругу 160 В і більше; конденсатор С2 – КМ-6. Змінний резистор R2 – ППБ-2 з характеристикою А; підлаштування R6 – СП5-16ВА. Тумблер SA1-МТ-1.

Діоди Д237А можна замінити будь-якими, які витримують імпульси струму в 1 А. Таким же критерієм визначено вибір діодного моста VD5. Замість КД513А підійде будь-який малопотужний кремнієвий з малим зворотним струмом.

Діоди VD1 і VD2 повинні мати гранично допустимий прямий струм не менше значення зварювального струму для вибраної конструкції. Те ж саме відноситься і до вибору тріністоров VS1 і VS2.

Замість КТ807Б підійде будь-який п-р-п транзистор, що витримує імпульсний струм колектора не менше 1 А при напрузі колектор-емітер не менш 40 В, а замість КТ502В-будь, структури р-п-р на ток колектора не менше 0,35 А на той же колекторне напруга.

Обидва апарати мають схожу конструкцію. На рис. 6 схематично показано пристрій апарату меншої потужності. Його основою служить рама 1, зібрана з дюралюмінієвих планок кутикової профілю або, в крайньому випадку, з дерев'яних рейок, посилених дюралюмінієвий куточками. У нижній частині рами закріплений мережевий трансформатор 3 в обичайці від трансформатора ЛАТР. На правій стійці рами кріплять ізоляційну колодку 2 з затискачами для підключення апарата до мережі, на лівій стійці – коробку 4 з електронним вузлом і органами управління – змінним резистором R2 і тумблером SA1.

Пристрій апарату

Вторинні обмотки трансформатора перемикають на саморобній міцної текстолітові колодці 5. Зварювальні "шланги" підключають або до з'єднаним разом гнучким висновків діодів VD1 VD2 – один – і тріністоров VS1, VS2-другий,-або безпосередньо ктеп-лоотводам 8 (для так званого максимального режиму контактного зварювання необхідно забезпечити мінімальне падіння напруги на підвідних провідниках). Потужні діоди 7 і тріністори 6 (VD1, VS1 і VD2, VS2) розташовують на двох ізольованих тепловідведення 8 площею не менше 100 см 2 кожен. В потужному апараті тепловідвід встановлені на додаткових поперечних рейках. Для захисту трансформатора від механічних пошкоджень і дотику до струмів-дущім деталей передбачений загальний циліндричний кожух з листової сталі, що прикріплюється до несучої рами (на малюнку він не показаний).

Налагодження апарату зводиться до встановлення амплітудного значення напруги відкриваючого імпульсу, достатнього для відкривання тріністоров, змінним резистором R6 (близько 20 … 30 В). Для контролю амплітуди імпульсів осцилограф. підключають до точок А і Б (рис. 3, а). Під час синхронізації осцилографа від мережі можна провести перевірку і коригування меж регулювання кута відсічки (рис. 3, а), маючи на увазі, що збільшення номіналів R1, R2, С1, а також збільшення амплітуди відкривають імпульсів призводить до збільшення часу Тз. Оптимізують режим зварювання змінним резистором R2, обмежити кут відсічення можна підбіркою резистора R1.

На закінчення повідомимо, що апарати забезпечують два режими контактного зварювання – максимальний і регульований (з'єднання тонких листових деталей). При максимальному режимі електронний вузол виключають з роботи. Зварювальні "шланги" – це відрізки гнучкого Багатодрітний ізольованого кабелю перетином 10 … 15 мм 2 , Залежно від значення зварювального струму.

За принципом дії апарати можна також віднести до регульованим випрямляча, що дозволяє застосовувати їх в якості потужних джерел напруги постійного струму. Вихідна напруга можна регулювати в широких межах (4 … 60 В) вибором числа підключаються вторинних обмоток і зміною кута відсічки. Апарат меншої потужності можна застосувати як зарядного пристрою для мотоциклетних або автомобільних батарей акумуляторів, а апарат більшої потужності здатний забезпечити стартерний запуск двигуна автомобіля під час спільної роботи з акумуляторною батареєю.

Технологія електродугового зварювання добре висвітлена в літературі, наприклад в [1, 2], слід лише зазначити, що в показаному на схемі рис. 5 підключенні деталі й електрода краще зварювати тонкі вироби, а масивні – при зворотній полярності підключення.

ЛІТЕРАТУРА

1. Тітов О. І. Довідник електрозварника ручного зварювання. – Новосибірське книжкове видавництво, 1989.

2. Довідник зварника. Під ред. Степанова В. В. – М.: Машинобудування, 1983.

 

В. БАРАНОВ, Радіо 7 / 1996.