Самодельный сварочный аппарат
Что нужно знать, взявшись за изготовление сварочного аппарата. Начальные сведения. Состав электросварочной системы.
Для питания сварочной дуги необходим мощный источник, преобразующий сетевое напряжение и обеспечивающий необходимую величину и качество сварочного тока. Под источником питания дуги в общем случае подразумевается совокупность средств, куда могут входить кроме сварочного трансформатора еще и регулирующие, улучшающие характеристику дуги, выпрямляющие ток, и другие устройства (рис. 1). В простейшем случае, наиболее распространенном среди самодельных конструкций, источником питания сварочной дуги является только один трансформатор, без каких-либо дополнительных элементов. Заключенный в корпус источник питания, оборудованный всем необходимым: соединительными проводами и клеммами, выключателями и внешними движками регуляторов, с установленными рукоятками для переноски, а для большего удобства и колесиками, представляет из себя уже полностью завершенную конструкцию известный всем сварочный аппарат.
Подобное устройство достаточно высокого качества вполне возможно изготовить в условиях небольшой мастерской или даже в домашних условиях. Для изготовления простого сварочного аппарата достаточно знать проверенные на практике методики, уметь правильно выбрать материал, да еще вложить в это дело какую-то часть своего труда, души, мастерства и терпения. Однако, взявшись за изготовление сварочного аппарата, вы будете чувствовать себя гораздо увереннее, если с самого начала будут выяснены некоторые базовые теоретические вопросы, касающиеся процессов горения электрической дуги и плавления электрода, характеристик трансформаторов, магнитопроводов и обмоточного материала, а также сопутствующих в этом деле дополнительных, но, тем не менее, часто очень важных устройств.
Основным элементом сварочной системы является сварочный трансформатор. Сварочный трансформатор понижает сетевое, до значения - 50...80 В. Работает сварочный трансформатор в особых условиях - дуговом режиме. Дуговой режим - режим практически максимальной отдачи мощности. Поэтому сварочные трансформаторы должны быть построены таким образом, чтобы могли безболезненно переносить протекание больших токов, в бытовых конструкциях до 200 А. Силовые параметры сварочных трансформаторов должны сочетаться с их динамическими свойствами - вольт-амперная характеристика трансформатора должна соответствовать определенным требованиям, иначе использовать его в качестве источника для ручной сварки будет затруднительно, а то и невозможно вообще, либо в состав конструкции придется включать дополнительное - весьма громоздкое и неудобное оборудование.
Конструкции типовых сварочных трансформаторов весьма различны, часто в их устройство заложены нераздельные элементы, предназначенные для регулирования тока. Разнообразие самодельных сварочных трансформаторов еще большее, так как в их конструкциях часто встречаются решения нестандартные, а то и уникальные вообще - приемы, не нашедшие применения в трансформаторах больше нигде. С другой стороны, самодельные конструкции трансформаторов максимально просты: практически никогда не содержат в себе дополнительных элементов для регулирования тока, свойственных промышленным образцам. Регулирование силы сварочного тока в данном случае может осуществляться путем переключения витков катушек или с помощью внешних, существующих отдельно от трансформатора специальных устройств.
Принципиально конструкция сварочного трансформатора весьма проста. Сварочный трансформатор состоит из магнитопровода, сложенного из набора пластин трансформаторной стали, первичной и вторичной обмоток, часто выполненных с отводами для регулирования или подстройки тока и напряжения. Первичная обмотка включается в сеть с напряжением 220 В. Если трансформатор рассчитан на какой-то определенный, требуемый ток, то варить можно непосредственно с выхода вторичной обмотки, без каких-либо дополнительных устройств ограничения тока (рис. 1.2). Но первичную обмотку лучше делать с отводами - это позволит регулировать в некоторых пределах сварочный ток, а при необходимости - подстроить трансформатор под упавшее напряжение сети, что также не является редкостью для наших условий. Более подробно о методах регулирования тока при сварке будет сказано далее, в соответствующем разделе этой статьи.
Основной, часто самой дефицитной при самостоятельном подборе материалов частью трансформатора является магнитопровод. В большинстве случаев в самодельных конструкциях используются магнитопроводы, снятые с оборудования, которое до того не имело никакого отношения к электросварке. Этим объясняется большое разнообразие существующих в исполнении народными умельцами типов магнитопроводов сварочных трансформаторов. (смотри также: Сварочный
трансформатор на магнитопроводе из статора электродвигателя, Сварочный
трансформатор из телевизионных трансформаторов, Другие
типы сварочных трансформаторов (рис. 1.3-1.6). Подобный разнобой в выборе материала, естественно, накладывает определенную специфику на построение и расчет самодельных сварочных трансформаторов.
Основные характеристики источника питания и сварочной дуги. Внешняя характеристика источника питания дуги. Кроме таких осязаемых параметров трансформатора как форма и геометрические размеры его магнитопровода, количество витков первичной и вторичной обмоток, величина входного и выходного напряжения, потребляемый и развиваемый на выходе ток и т. д., существуют еще и такие характеристики электросварочной системы, которые в обычных условиях оценить визуально или измерить с помощью измерительной аппаратуры невозможно, однако именно их показатели определяют пригодность трансформатора в качестве источника тока для ручной сварки или же обуславливают качество горения дуги и формирования сварного шва. А причина как раз в способности трансформатора стабильно держать рабочий ток, что характеризуется таким показателем, как внешняя вольт-амперная характеристика (ВАХ) источника питания.
Внешней вольт-амперной характеристикой источника питания называется зависимость напряжения на клеммах источника от величины сварочного тока (рис. 1.7). Сварочный ток определяется свойствами нагрузки трансформатора, в данном случае электрической сварочной дуги. Трансформаторы могут иметь следующие виды внешних харак-теристик: крутопадающая (1), пологопадающая (2), жесткая (3), при достижении очень высоких токов, до 1000 А, может наблюдаться даже возрастающая характеристика.
Для ручной сварки применима только крутопадающая характеристика, жесткая и пологопадающая применяются при автоматической электросварке. Таким образом, изготавливаемый сварочный трансформатор должен обладать крутопадающей внешней характеристикой.
Характеристики сварочной дуги. Сварочная дуга представляет собой длительный электрический разряд между концом электрода и областью дуговой зоны металла изделия. Сварочная дуга характеризуется значительной плотностью тока и высокой температурой катодной области электрода, превышающей 3000 градусов, при относительно небольшом значении разности потенциалов - 20...25 В. При зажигании дуги сначала происходит пробой газового промежутка электронами, потом, в течение микросекунд, процесс стабилизируется и в дуговом промежутке, в результате ионизации электронами молекул газов, появляется также ионная проводимость. Кроме того, стабилизатором горения дуги является плавящаяся и испаряющаяся обмазка электродов.
При сварке плавящимся электродом, под действием высокой температуры, на его конце происходит плавление металла, образование капли, ее отрыв от электрода и перенос на металл изделия. При ручной сварке в виде капель переносится до 95% электродного металла, некоторая его часть превращается в пары и брызги . Диаметр капель и скорость их образования зависят от силы тока, диаметра электрода, длины дуги и ряда других условий.
Исправление внешней характеристики источника питания. О качестве внешних характеристик сварочных трансформаторов судят на практике. Если с трансформатором работать легко, дуга горит стабильно, а наплавленный металл ложится равномерно - значит, все в порядке; иначе - характеристика трансформатора смещена в сторону жесткой. Добиться исправления внешней характеристики источника питания в сторону круто-падающей можно простым включением в сварочную цепь балластного сопротивления величиной в сотые доли ома - куска проволоки из нихрома или другого металла с высоким удельным сопротивлением (рис. 1.13). Балластное сопротивление несколько ограничит максимальный ток трансформатора, зато заметно улучшит его внешнюю характеристику, особенно если она близка к жесткой.
Так, при потере мощности в пределах 20...30 %, можно добиться приемлемых результатов горения дуги в ручном режиме у трансформаторов, с которыми до того работать было очень тяжело. К улучшению крутизны внешней характеристики трансформатора приводит также увеличение его выходного напряжения холостого хода, хотя при этом несколько уменьшается КПД трансформатора. Здесь уместно отметить, что лучшими для ручной электросварки внешними характеристиками обладают как раз трансформаторы с относительно невысокими КПД.
Дополнительные характеристики. Динамическая характеристика источника питания. Источник питания дуги должен быстро реагировать на изменения тока и напряжения в дуге, происходящие в процессе плавления электрода. Это выражается временем восстановления напряжения от нуле-вого значения в момент короткого замыкания до напряжения повтор-ного зажигания дуги. Это время есть динамическая характеристика ис-точника. Оно не должно превышать 0,05 с на 25 В. Эта способность трансформатора особенно важна при замыкании каплей переносимого расплавленного металл дугового промежутка, то есть когда, по сути, трансформатор переходит в режим короткого замыкания.
Отношение силы сварочного тока к току короткого замыкания. Сила тока при коротком замыкании выхода вторичной обмотки трансформатора на практике может превышать сварочный ток в 1,1...2 раза. Для промышленных источников питания нормальными считаются значения в пределах 1,1... 1,5 раза. С точки зрения промышленных технологий: чем меньше это отношение - тем лучше. Однако для ручной электросварки в бытовых условиях малое отно-шение токов короткого замыкания и сварки могут оказаться весьма вредным свойством, о чем будет сказано несколько ниже. Рекомендуется считать хорошими для бытовых целей отношение токов в пределах 1,3... 1,6 раза.
Эластичность дуги. Для устойчивого горения дуги важное значение имеет эластичность. Дуга считается эластичной, если дуга продолжает гореть при относительно значительном увеличении ее длины, вызванном разными причинами. Эластичность дуги оценивают количественно. Критерием эластичности дуги является ее наибольшая длина, при которой дуга еще не гаснет. Для бытовых аппаратов, работающих на трех-, четырехмиллиметровых электродах, хорошими показателями эластичности можно считать дугу, горящую при длине 5.. .7 мм. Вообще же при больших длинах дуги нарушается перенос электродного металла на изделие и сильно меняется сварочный ток, поэтому этот режим не является рабочим режимом.
Улучшение свойств горения дуги. При питании сварочной дуги от обычного трансформатора - переменным током - полярность электродов, а также условия горения дугового разряда периодически изменяются. Сварочная дуга может загореться только при достижении в начале синусоидального полупериода уровня напряжения, соответствующего напряжению зажигания дугового разряда. Сварочная дуга переменного тока зажигается и гаснет 100 раз в секунду и горит отдельными вспышками. На устойчивость и скорость повторного зажигания дуги существенное влияние оказывают параметры источников питания. К таким параметрам прежде всего относятся напряжение холостого хода и скорость его восстановления после обрыва тока дуги, фазовый сдвиг между напряжением холостого хода источника и током дуги. Сократить разрывы в горении сварочной дуги можно путем повышения напряжения холостого хода источника питания. Однако напряжение холостого хода для переменного тока не может быть выше 80 В с точки зрения безопасности. Другим путем повышения непрерывности в горении дуги является включение в сварочную цепь дросселя (рис. 1.15), приводящего к сдвигу фаз между током и напряжением .
Сварочная дуга, горящая на переменном токе со значительной индуктивностью в цепи, может не иметь перерывов вообще, так как ее горение поддерживает теперь ЭДС самоиндукции. Для того чтобы величина ЭДС само-индукции была достаточной для поддержания горения дуги в момент снижения напряжения источника, необходим определенный угол сдвига фаз ? между током и напряжением. Устойчивое горение дуги на любых сварочных токах обеспечивается при cos? = 0,35...0,6.
Дуга постоянного тока. На постоянном токе горение сварочной дуги более стабильно, сварные швы получаются более качественными, легче поддерживаются пониженные значения сварочных токов. Кроме того, некоторые типы электродов, например для сварки нержавеющей стали, требуют только постоянного тока. Постоянный ток в бытовых сварочных аппаратах получается путем выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых выпрямительных мостов. Выпрямительный мост может быть создан на основе мощных диодов типа В-200 (максимальный ток 200 А) (рис. 1.18). Эти диоды имеют внушительные размеры, а их корпус посажен на алюминиевые радиаторы. Причем корпус диода, а значит, и крупный радиатор находятся под напряжением, поэтому диоды с их радиаторами должны крепиться так, чтобы не имели контакта друг с другом, не касаясь токопроводящих частей корпуса аппарата. Подобное неудобство с креплением приводит к тому, что размеры собранного диодного моста слишком вырастают, увеличивая и усложняя конструкцию сварочного аппарата в целом.
В последнее время на рынке появились уже готовые - интегрированные в одном корпусе диодные мосты импортного производства. Размер одного такого диодного мостика сопоставим с размерами спичечного коробка или одного диода В-200 без радиатора, при максимальном токе 30...50 А. Если интегрированные диодные мосты соединить параллельно (рис. 1.19), то вместе они смогут выдерживать более значительные токи. Как показывает практика, они не сильно греются и даже без проблем могут выдерживать кратковременные перегрузки, притом, что сварочный аппарат большей частью вообще работает в кратко-временном режиме.
На диодных мостах происходит неизбежное падение напряжения, поэтому на выходе источника питания постоянного тока напряжение будет где-то на 4...5 В меньше от напряжения холостого хода трансформатора (без конденсатора). При этом напряжение на выходе не будет строго постоянным - его форма будет пульсирующей. Форму постоянного напряжения можно сгладить, установив на выходе конденсатор емкостью 5000 ...10000 мкФ. При этом конденсатор лучше включить через сопротивление порядка 0,5 ...1 Ом (рис. 1.21). Присутствие резистора обу-словлено тем, что в момент зажигания дуги происходит касание кон-ца электрода об металл изделия - то есть короткое замыкание. Если сопротивления в цепи конденсатора нет, то происходит мгновенный разряд конденсатора большой емкости, импульс высокого тока со-провождается громким щелчком, а часто разрушением кончика элек-трода или его мгновенным привариванием к металлу изделия. Работать с таким источником весьма неудобно, треск разрядов действуют на нервы. Дополнительный же резистор ограничивает ток, сглаживает разряд конденсатора, делая зажигание дуги легким и мягким.
Выбор мощности сварочного трансформатора. Величина тока сварочного трансформатора связана с мощностью следующей зависимостью:
Р = UIcos(ФИ) где (ФИ) - угол сдвига фаз между током и напряжением.
Так как сам трансформатор является индуктивной нагрузкой, то угол сдвига фаз всегда существует. В случае расчета потребляемой мощности cos(ФИ) можно принять равным 0,8.
Сварочный ток расчитываем из формулы:
I = (20 + 6d)d. Или жe по упрощенной зависимости: I = Kd (А), где d - диаметр электрода; К - коэффициент, принимается 25...50 А/мм.
При этом коэффициент 25 А/мм выбирается для так называемой холодной сварки, для которой лучше подходит постоянный ток. Для большинства же видов работ, в основном проводящихся в нижнем горизонтальном положении, берется коэффициент 35...40 А/мм. Таким образом для сварки двухмиллиметровыми электродами выбирается ток порядка 70 А; <тройка> чаще всего работает на токе 110...120 А; для <четверки> потребуется сила в 140... 150 А сварочного тока. Есте-ственно, для заваривания особенно массивных изделий и для резки металла выбираются токи исходя с коэффициента повыше - 45...50 А/мм.
Приступая к сборке трансформатора, разумным будет установить для себя предел выходного тока, и мотать обмотки под выбранную мощность. Правильно рассчитанный и изготовленный сварочный трансформатор обеспечивает хорошее качество сварки на заданной мощности, не требует каких-либо дополнительных средств ограничения тока или исправления характеристик, не перегревается, имеет больший ресурс надежности и не так садит сеть.
Указанные выше меры широко применяются в промышленных стационарных сварочных аппаратах. В переносных и самодельных конструкциях подобные способы улучшения горения дуги не нашли применения из-за громоздкости оборудования (дросселя во вторичной цепи), резкого увеличения веса и усложнения конструкции. В случае необходимости дроссель может использоваться в свароч-ном оборудовании как съемный дополнительный элемент - такие дросселя выпускаются промышленностью и могут изготовляться са-мостоятельно. В компактных сварочных аппаратах также не стремятся к увеличению напряжения холостого хода, ограничиваясь, как правило, величиной в пределах 47.. .60 В.
Расчет сварочного трансформатора. Наиболее ответственной задачей при самостоятельном изготовлении сварочного трансформатора является расчет его параметров, определяющих прежде всего мощность и ток вторичной катушки, также немаловажны КПД, качество выходных характеристик, надежность собираемого изделия.
Стандартная методика расчета. Трансформатор изготовлен на основе П-образного магнитопровода (рис. 1.22). Его первичная и вторичная обмотки состоят из двух равных частей, которые расположены на противоположных плечах магнитопровода. Соединены между собой половины обмоток на разных плечах последовательно.
Исходными данными при расчете сварочного трансформатора являются заданная мощность трансформатора, коэффициент продолжительности работы, номинальный ток, напряжение холостого хода и тепловой режим работы. Для выбора числа витков обмоток трансформатора рекомендуется пользоваться эмпирической зависимостью параметра Е (в вольтах на виток):
E = 0,55 + 0,095 Pдл Эта зависимость справедлива для широкого диапазона мощностей, однако наибольшую сходимость результатов дает в диапазоне 5...30 кВа. Также вводится параметр мощности, учитывающий продолжительность работы трансформатора:
Pдл = U2 х I2 (ПР/100)1/2 х 10-3 ,где I2 - номинальный сварочный ток, A; U2 - напряжение холостого хода вторичной обмотки; ПР - коэффициент продолжительности работы, %. Для самодельных конструкций и переносных промышленных трансформаторов ПР можно считать равным 15...20%.
Числа витков (сумма обеих половин) первичной и вторичной обмоток определяются соответственно:
N1 = U1/E; N2 = U2/E ,где U1 - напряжение сети, В. Номинальный ток первичной обмотки в амперах:
I1 = I2хkm/n, где km = 1,05... 1,1 - коэффициент, учитывающий намагничивающий ток трансформатора; п =N1/ N2 - коэффициент трансформации.
Сечение стали сердечника трансформатора определяется по формуле:
S = U2х104/(4,44хFхN2хBm), где F = 50 Гц - промышленная частота тока; Вт - индукция магнитного поля в сердечнике, Тл. Для трансформаторной стали индукция может быть принята Вт = 1,5...1,7 Тл.
Конструктивные размеры трансформатора приведены примени-тельно к стержневой конструкции магнитопровода. Линейные разме-ры даны в миллиметрах:
ширина пластины стали из пакета магнитопровода
a = (Sх100/(p1хkc))1/2;
толщина пакета пластин плеча магнитопровода b = ахp1;
ширина окна магнитопровода c = b/p2, где p1 = 1,8...2,2; p2 = 1,0...1,2; kc = 0,95...0,97 - коэффициент заполнения стали. Измеряемая по линейным размерам сторон собранного трансформатора площадь сечения магнитопровода будет несколько больше рассчитанного значения, надо учитывать неизбежные зазоры между пластинами в наборе железа, и равняется: Sиз = S/kc.
Высота магнитопровода методикой строго не устанавливается и выбирается исходя из размеров катушек с проводом, крепежных размеров, а также учитывается расстояние между катушками, которое выставляется при подстройке тока трансформатора. Размеры катушек определяются сечением провода, количеством витков и способом намотки