Текст книги "Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка"

Принципиальная электрическая схема этого несложного устройства приведена на рис. 56. Основные его элементы – тиристоры VS1 и VS2 – включены встречно-параллельно друг другу. Они открываются поочередно импульсами тока, формируемыми транзисторами VT1 и VT2.

При включении регулятора в сеть оба тиристора закрыты, конденсаторы С1 и С2 начинают заряжаться через переменный резистор R7. Как только напряжение на одном из конденсаторов достигает величины лавинного пробоя транзистора, последний открывается и через него идет ток разряда соединенного с ним конденсатора. Это приводит к открытию соответствующего тиристора, который подключает сварочный аппарат к сети. После начала следующего, противоположного по знаку полупериода переменного тока тиристор закрывается и начинается новый цикл зарядки конденсаторов, но уже в обратной полярности. Теперь открывается второй транзистор, и второй тиристор снова подключает сварочный аппарат к сети. Изменением сопротивления переменного резистора R7 можно регулировать момент включения тиристоров в течение полупериода, что приведет к изменению сварочного тока.

Регулятор собирают на тиристорах, рассчитанных на прямой ток более 40 А и напряжение не менее 400 В, типа Т131-40-4, Т132-50-4, Т141-63-4 и др. Транзисторы VT1 и VT2 – маломощные, высокочастотные типа П416, П422—П423, ГТ 308, ГТ320, ГТ338. Конденсаторы – типа МБМ, К73 или другие аналогичные на напряжение не менее 40 В. Резисторы – типа МЛТ-0,5. Переменный резистор R7 ввиду гальванической связи сети с элементами регулятора должен быть с пластмассовой осью. Правильно собранный регулятор практически не требует налаживания. Для увеличения пределов и плавности регулирования сварочного тока значение переменного резистора рекомендуется установить опытным путем.

Рис. 56. Схема простого блока регулировки сварочного тока

Схему собирают в отдельном корпусе из изоляционного материала с вентиляционными отверстиями и включают в разрыв жилы сетевого провода СТ.

Необходимо помнить, что форма сварочного тока в устройствах с тиристорным регулированием отличается от синусоидальной и действующее значение тока, характеризующее тепловые потери в обмотках, регулирующем тиристоре, больше среднего значения сварочного тока. В общем случае это приводит к необходимости увеличивать сечение проводов обмоток трансформаторов, применять более мощные тиристоры и устанавливать их на радиаторы большей площади. Если же применять устройство с уже имеющимся трансформатором с недостаточным сечением проводов обмоток, необходимо строго выдерживать режим работы – повторно-кратковременный, особенно при работе на больших сварочных токах. Особенно быстро происходит нагрев в режиме резки металла, поэтому и «отдыхать» аппарат в этом случае должен чаще и дольше. Дополнительно увеличить продолжительность включения трансформатора можно, установив на его корпусе вентилятор принудительного охлаждения.

Недостатком данного регулятора является то, что зажигание сварочной дуги на малых токах требует на начальном этапе определенной сноровки. Однако этот недостаток не проявляется при работе на средних и больших токах. Поэтому можно рекомендовать зажигать дугу на больших или средних токах и, не прерывая ее горения, регулятором уменьшать сварочный ток до необходимого.

Этот трансформатор с питанием от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В предназначен для электродуговой сварки изделий из конструкционных сталей электродами диаметром 2–5 мм. Электронный регулятор тока позволяет плавно изменять сварочный ток от 20 до 200 А, что дает возможность сваривать детали различной толщины. Одним из достоинств конструкции является отсутствие дорогих и дефицитных деталей.

Как следует из принципиальной электрической схемы (рис. 57), данное устройство состоит из собственно силового трансформатора Тр1, регулирующих тиристоров VS1 и VS2, включенных в цепь силовой обмотки II, и блока электронной регулировки, вырабатывающего управляющие импульсы. Дополнительная обмотка III стабилизирует горение дуги и позволяет улучшить процесс ее образования в начальный момент сварки. Обмотка IV питает блок электронной регулировки тока.

Трансформатор Тр1 изготовлен на основе статорного сердечника асинхронного двигателя переменного тока мощностью 15, 18,5 или 22 кВт. Его первичная обмотка I содержит 220 витков провода марки ПЭВ-2 (медного) или АПСО (алюминиевого) ∅2,5 мм. Провод наматывается равномерно по всему сечению магнитопровода.

Рис. 57. Принципиальная электрическая схема сварочного трансформатора

Если провода требуемого диаметра нет, обмотку можно выполнить двумя проводами, при этом их суммарное сечение должно составлять 5 мм². Ток холостого хода первичной обмотки не должен превышать 0,3–0,5 А.

Вторичную обмотку II выполняют проводом сечением 35 мм², она содержит 60 витков. В качестве провода может служить медная или алюминиевая шина с надежной изоляцией. Рядом с обмоткой II на магнитопроводе размещают обмотку III, которая содержит тоже 60 витков провода, но уже потоньше – марки ПЭВ-2 ∅2,5 мм. Обмотка IV содержит 40 витков провода марки ПЭВ-2 ∅0,7 мм с отводом от середины. При указанном ранее токе холостого хода на обмотках II и III должно быть напряжение 60 В, а на обмотке IV – 40 В.

В основе блока электронной регулировки тока лежит схема аналогичного устройства промышленного изготовления, а именно трансформатора ТС-200. Монтажная схема регулятора выполняется печатным или навесным способом, но в любом случае регулятор должен быть заключен в собственный надежный корпус.

Трансформатор Тр2 наматывают на магнитопроводе Ш16 с толщиной набора 16 мм. Его обмотка I содержит 140 витков провода марки ПЭВ-2 ∅0,5 мм, обмотка II – 70 витков провода ПЭВ-2 ∅0,1 мм, обмотки III и IV содержат по 90 витков провода ПЭВ-2 ∅0,5 мм.

Резисторы R1—R9 – типа МЛТ-0,5; R10, R11 – типа МЛТ-2; R12 – типа СП2—6А.

Конденсаторы С1 и СЗ – типа К-50-6; С2 и C4 – типа К73. Тиристоры VS1 и VS2 устанавливают на теплоотводах с площадью поверхности 1000 мм² каждый.

Блок, собранный без ошибок и из исправных деталей, в наладке не нуждается.

Один из вариантов конструктивного оформления СТ представлен на рис. 58. Трансформатор Тр1 закреплен на круглом основании ∅400 мм из текстолита толщиной 10 мм или из фанеры толщиной 15 мм. Под трансформатор следует подложить два бруска из твердого дерева сечением 30 × 30 мм и длиной 350 мм для обеспечения циркуляции воздуха и улучшения охлаждения его при работе. К основанию трансформатор крепится стяжным болтом М12 соответствующей длины. На верхней пластине крепят радиаторы с тиристорами.

Рис. 58. Монтажная схема трансформатора:

1 – обмотка трансформатора; 2 – радиатор тиристора; 3 – тиристор; 4 – верхняя пластина; 5 – брусок; 6 – ручки для переноски; 7 – корпус блока регулировки; 8 – потенциометр (R12); 9 – клемма для подсоединения сварочного кабеля; 10 – крепежный болт; 11 – нижняя пластина; 12 – скоба для намотки сетевого кабеля; 13 – сетевой кабель

Основание имеет две ручки для переноски трансформатора, изготовленные из стальной трубы 1/2˝. К этим же ручкам прикреплены две текстолитовые пластины толщиной 6 мм. На одной из них установлен блок регулировки тока, потенциометр R12, а также закреплены клеммы для подсоединения сварочного кабеля (болты М12). На второй пластине установлены две скобы для намотки сетевого кабеля после окончания работы. Здесь же можно установить и автоматический выключатель, рассчитанный на ток не менее 25 А.

Трансформатор допускает следующий режим эксплуатации: работа – 1 ч, перерыв – 10 мин. Сварку производят электродами марки Э-5РА УОНИ-13/55-2,5 УД-1 требуемого диаметра.

Сварочные источники постоянного тока

Все рассмотренные ранее сварочные источники являются источниками переменного тока. Они довольно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Однако использование постоянного тока позволяет во многих случаях улучшить качество сварки, что рассматривалось в первом разделе данной книги. Кроме того, некоторые типы электродов, например для нержавеющей стали, требуют только постоянный ток, а электроды, предназначенные для переменного тока, нормально работают и на постоянном токе. Даже надоедливого (и даже вредно действующего на людей) треска при сварке постоянным током нет. А все потому, что отсутствует главная, присущая сварочным аппаратам переменного тока особенность, – прерывистое горение дуги при перетекании синусоиды питающего напряжения через ноль.

Сварочные аппараты постоянного тока состоят из уже хорошо нам известного сварочного трансформатора и устройства, преобразующего переменный ток в постоянный. Причем переделан может быть любой СТ, поэтому их конструкции мы более рассматривать не будем. Займемся тем, что позволяет получить постоянный (а также регулируемый) сварочный ток.

Самый простой способ получить сварочный аппарат постоянного тока – подключить к выводам вторичной обмотки СТ мостовой выпрямитель (рис. 59).

Выпрямительный мост в любительских схемах чаще всего выполнен на основе мощных диодов типа Д161-200, Д161-320, В200. 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 радиаторами должны крепиться так, чтобы не касаться токопроводящих частей корпуса аппарата. При этом должны использоваться две группы разнополярных диодов: одна пара с катодом на резьбовом выводе и пара, у которой на резьбовом выводе анод[23]23
  В обозначениях силовых выпрямительных диодов, выпускающихся в соответствии с ГОСТ-20859, для маркировки диодов с обратной полярностью введен специальный символ «X». Например, Д161-200Х-8. Это расшифровывается так: диод силовой, выпрямительный, первой модификации, со штыревой конструкцией корпуса и гибким выводом, размер шестигранника под ключ 32 мм, максимальный выпрямленный ток 200 А, максимальное повторяющееся обратное напряжение 800 В, обратной полярности («—» – катодом является основание). Диод того же типа, но без символа «X» в маркировке: Д161-200-8 – то же, прямой полярности («+» – анодом является основание). Подавляющее большинство силовых выпрямительных диодов выпускают как в прямой, так и в обратной полярности.


[Закрыть]. Благодаря этой особенности пары радиаторов в каждой из двух групп диодов можно не изолировать друг от друга. Но радиаторы групп между собой ни в коем случае не должны иметь контакт. Как показано на рис. 60, пары радиаторов соединены между собой шпильками ∅8 мм. Резьбовые концы этих же шпилек одновременно являются выходными клеммами выпрямителя: «+» и «—». Между двумя группами радиаторов при сборке установлена изолирующая прокладка из резины толщиной 5 мм.

Рис. 59. Мостовой выпрямитель в составе простого сварочного аппарата:

SA1 – сетевой выключатель питания; FU1 – предохранитель 10–16 А; Т1 – сварочный трансформатор; U2 – выходное переменное напряжение сварочного трансформатора; VD1—VD4 – выпрямительный мост (диоды В200, ВД161 и т. п.)

После монтажа на корпус СП верхнюю часть выпрямителя – гибкие выводы диодов – лучше закрыть П-образной крышкой. Однако такой выпрямитель можно собрать и как самостоятельное изделие, подключая к трансформатору лишь тогда, когда нужна сварка постоянным током. Тогда его следует заключить в собственный корпус. Весит такой выпрямитель не более 5 кг.

Если ваш сварочный аппарат не развивает высокую мощность и сварочные работы планируются от случая к случаю, покупать мощные, тяжелые и дорогие диоды не обязательно. Можно приобрести интегрированные в одном корпусе диодные мосты импортного производства. Размер одного такого интегрального выпрямителя сопоставим с размерами спичечного коробка или одного диода В-200 без радиатора. Он выдерживает максимальный ток 30–50 А. Если такие мосты соединить параллельно (рис. 61), то вместе они смогут выдерживать более значительные токи. Строго говоря, суммарный ток объединенного выпрямителя не равняется сумме максимальных токов входящих в него диодных мостов. Ведь они не могут обладать абсолютно одинаковыми параметрами, а значит, каждый пропускает через себя различающиеся по величине токи. Поэтому не исключен пробой диодов сборки при ударном импульсе тока, возникающем при зажигании дуги.

Рис. 60. Конструкция выпрямительного блока:

1 – выводы переменного напряжения; 2 – плита (фанера или текстолит S = 10 мм); 3 – диоды; 4 – охлаждающие радиаторы; 5 – изолирующая прокладка (резина, S = 5 мм); 6 – стягивающие шпильки М8 (выводы постоянного напряжения)

Однако если собрать эту схему с некоторым запасом по мощности, учитывая ток короткого замыкания, то можно добиться не только существенной экономии, но и более компактных размеров, чем в случае с В-200 и другими мощными диодами. Дело в том, что корпуса диодных мостиков не находятся под напряжением. Их можно прикрепить к одному общему радиатору и разместить в любом удобном месте внутри корпуса сварочного аппарата.

Для такого составного выпрямителя обычно используют 4–6 интегрированных диодных мостиков, обязательно одной и той же марки. Как показывает практика, они не сильно греются и даже без проблем могут выдерживать кратковременные перегрузки, притом, что сварочный аппарат большей частью вообще работает в кратковременном режиме. Например, соединив параллельно шесть диодных сборок KBPC5010, каждая из которых рассчитана на ток 50 А, получаем один диодный мост, рассчитанный на ток 300 А. Для охлаждения подойдет алюминиевый радиатор площадью примерно 800 см², на которой равномерно размещают сборки и закрепляют болтами М6, под которые в центре корпуса имеются отверстия.

Для улучшения теплоотдачи желательно использовать теплопроводную пасту КПТ-8. После этого схему распаивают медной шиной сечением 10 мм², а для подключения всего выпрямителя к источнику тока и для выхода сварочного тока – 20 мм². Не забудьте обработать все места пайки лаком.

Рис. 61. Схема составного выпрямительного моста из четырех диодных сборок

Радиатор такого диодного моста при токе сварки 100 А в интенсивном режиме (непрерывная работа электродом ∅3 мм в течение 10 мин) должен нагреваться до температуры не выше 50–60 °C.

Если же планируется использовать более мощные токи, можно увеличить количество сборок. Кроме того, выпрямителю не повредит обдув вентилятором. Если принудительное охлаждение применяется для СТ, то имеет смысл разместить радиатор выпрямителя так, чтобы он тоже находился в потоке воздуха.

Обязательно припаивайте шины к выводам диодных мостов. Если вы соедините мосты только с помощью клемм, то концы выводов мостов будут очень сильно греться.

Сразу следует оговорить, что оснащение СТ диодным мостом еще не позволяет считать сварочный аппарат завершенным. Дело в том, что на диодных мостах происходит неизбежное падение напряжения, поэтому на выходе источника питания постоянного тока напряжение будет где-то на 4–5 В меньше, чем напряжение холостого хода трансформатора. При этом напряжение на выходе не будет строго постоянным – его форма будет пульсирующей (рис. 62, б), а эффективное значение постоянного пульсирующего напряжения в √2 раз меньше напряжения пиков максимумов амплитуды переменного тока. Из-за этого на вторичной обмотке приходилось бы поддерживать заведомо завышенное напряжение, доходящее до 80 В[24]24
  Напряжение на выходе сварочного источника не должно превышать 80 В по требованиям электробезопасности согласно ГОСТ 95-77Е.


[Закрыть], хотя для поддержки горения дуги и наплавления металла в зоне сварки достаточно 25–36 В. Разумеется, лишние вольты отразились бы в виде непомерно большой массы и габаритов СА, повышенного расходования электроэнергии. Снизив же напряжение, трансформируемое во вторичную цепь, до 36 В, можно в 5–6 раз облегчить вес устройства и уменьшить его размеры до приемлемых для переноски с одновременным улучшением остальных эксплуатационных характеристик. Но как при низковольтной обмотке зажечь дугу?

Для сглаживания пульсаций напряжения один из выводов выпрямителя подсоединяют к держателю электродов через дроссель (рис. 62, г[25]25
  Здесь показано подключение СА для сварки тонколистового металла на «обратной» полярности: «+» на электроде, «—» – на свариваемой детали.


[Закрыть]). Он представляет собой катушку из 10–15 витков медной шины сечением 25–35 мм², намотанной на любом сердечнике, например от магнитного пускателя.

Но кардинальным решением проблемы стал ввод конденсатора большой емкости во вторичную цепь диодного моста. В результате напряжение на выходе увеличивается почти в 1,5 раза, а характеристика СА также получается крутопадающей (рис. 62, в).

Рис. 62. Сглаживание пульсаций выпрямленного тока:

а – переменный ток на выходе СТ; б – пульсирующее напряжение после диодного моста; в – крутопадающая характеристика СА при сглаживании пульсаций конденсатором; г – сглаживание пульсаций дросселем; д – сглаживание пульсаций конденсатором

Создаваемое конденсатором начальное повышенное напряжение облегчает зажигание дуги. А когда потенциал на сварочном электроде упадет до напряжения вторичной обмотки трансформатора (рабочая точка «А»), возникнет процесс устойчивого горения дуги с наплавлением металла в зоне сварки. Чтобы создать такое «энергетическое чудо», требуется конденсатор емкостью 5000—10 000 мкф. В этом случае он на холостом ходу будет заряжаться до уровня максимального по амплитуде напряжения.

Особенно рекомендуется ставить конденсатор в том случае, если источник питания имеет низкое выходное напряжение (меньше 40 В) и возникают трудности в момент зажигания сварочной дуги. При этом конденсатор лучше включить через сопротивление 0,5–1,5 Ом (рис. 62, д). Присутствие резистора обусловлено тем, что в момент зажигания дуги происходит касание конца электрода о металл изделия, т. е. короткое замыкание. Если сопротивления в цепи конденсатора нет, то происходит мгновенный разряд конденсатора большой емкости, импульс высокого тока сопровождается громким щелчком, а часто и разрушением кончика электрода или его мгновенным привариванием к металлу изделия. Работать с таким источником весьма неудобно, треск разрядов действует на нервы. Дополнительный же резистор ограничивает ток, сглаживает разряд конденсатора, делая зажигание дуги легче и мягче.

И все же зажечь дугу при невысоком напряжении непросто. Для маломощного сварочного аппарата это самый тяжелый режим, так как происходит замыкание вторичной обмотки на короткое время до момента отведения электрода от детали. Проблему можно решить следующим способом: напряжение холостого хода заранее повышено устройством вольтдобавки, а после зажигания дуги оно уменьшается до оптимальных 30–40 В. Схема такого аппарата показана на рис. 63, а.

Сварочный трансформатор Т1 с диодным выпрямителем VD1—VD4 дополнен еще одной обмоткой III, выпрямителем VD5—VD8, дросселем L1 и переключательным диодом VD9. Обмотка III намотана на отдельном каркасе и расположена рядом с катушкой, содержащей сетевую и основную обмотки I и II соответственно.

Основная вторичная обмотка II рассчитана на напряжение 30–40 В и ток 100–120 А. Она обеспечивает рабочий сварочный ток в дуге. Дополнительная вторичная обмотка III рассчитана на напряжение 12–14 В при токе 10 А. Она-то и формирует напряжение вольтдобавки.

До момента касания электродом свариваемых деталей напряжение на нем равно сумме значений выпрямленного напряжения обеих обмоток, поскольку переключающий диод VD9 оказывается закрытым выходным напряжением моста VD5—VD8, а оба моста – включенными последовательно. Напряжение на электроде равно 42–54 В.

При касании электродом детали диод VD9 открывается, напряжение на нем уменьшается до 1,5 В, обеспечивая сварочный ток через зажженную дугу. Поскольку через диоды VD5—VD8 и дроссель L1 сварочный ток не протекает, для этого моста достаточно десятиамперных диодов, а дроссель можно намотать на любом магнитопроводе сечением 10–12 см². Обмотку выполняют проводом ПЭВ-2 ∅1,6–1,8 мм до заполнения окна. При сборке магнитопровода необходимо предусмотреть немагнитный зазор между его частями, вложив прокладку из прессшпана толщиной 0,5–1 мм.

Вместо КД242Б можно использовать диоды Д305, Д214, КД213А, КД213В, КД2999А – КД2999В. Их надо установить на пластинчатые теплоотводы размерами 100 × 100 × 5 мм. Вместо ВК2-200 подойдут диоды Д161-250, Д161-320. Эти диоды лучше всего смонтировать на ребристые или игольчатые теплоотводы.

Конструктивно устройство вольтдобавки может быть выполнено и в виде приставки к СТ, переведенному на постоянный ток. Схема такой приставки показана на рис. 63, б. В ней использован сетевой трансформатор ТС-270 от старых ламповых телевизоров со своей «родной» сетевой обмоткой. Вторичную обмотку на 12 В при токе до 15 А надо намотать самостоятельно. Целесообразно предусмотреть у этой обмотки выводы на 13, 14 и 15 В для того, чтобы приставку можно было использовать и для других целей, в частности для зарядки аккумуляторных батарей. Переключающий диод VD5 входит в состав приставки. Дроссель L1 такой же, как указано выше.

Рис. 63. Схемы вольтдобавки для надежного зажигания сварочной дуги:

а – с дополнительной обмоткой СТ; б – приставка к СА постоянного тока; в – экономичная схема

Если еще немного изменить схему, можно уменьшить число необходимых диодов, а значит, и громоздких теплоотводов для них. Такой вариант показан на рис. 63, в. Работа этого узла аналогична работе описанного выше, разница лишь в том, что роль переключающих выполняют два диода VD1, VD3 выпрямительного моста аппарата. Они открываются поочередно на половину периода сетевого напряжения, когда дуга еще не зажжена, и закрыты, когда дуга горит.