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

Для плавного регулирования выпрямленного сварочного тока используют более сложные, как правило, электронные схемы. Зато в силовых цепях отсутствуют переключатели, подвижные элементы и т. п. ненадежные детали и узлы – «слабые звенья» многих любительских конструкций. К тому же ступенчатая регулировка тока ограничивает возможность выбора оптимальной величины сварочного тока, а наличие отводов усложняет конструкцию сварочного трансформатора. Подвижный шунт позволяет плавно регулировать ток, но также усложняет конструкцию трансформатора и является источником шума.

Преимущества регуляторов постоянного тока – в их универсальности. Диапазон изменения напряжений составляет 0,1–0,9 Uxx, что позволяет использовать их не только для плавной регулировки тока сварки, но и для зарядки аккумуляторных батарей, питания электронагревательных элементов и других целей.

Довольно широкое распространение получили тиристорные и симисторные схемы регулировки мощности. Тиристоры и симисторы являются не полностью управляемыми электронными ключами. Они могут находиться только в двух состояниях: закрытом или открытом. Тиристор, подобно диоду, пропускает ток только в одном направлении. Для управления переменным током используют два встречно включенных тиристора или один симистор[26]26
  Симистор – это симметричный тиристор, или триак (от англ. triac – triode for alternating current), что означает электронный прибор, предназначенный для управления переменным током.


[Закрыть]. Внутренняя структура симистора содержит два встречно включенных тиристора, но управляются они при помощи одного внешнего управляющего электрода.

Однажды открытый симистор не реагирует на сигнал управления и сохраняет свое открытое состояние до тех пор, пока через него протекает больший по величине ток, чем ток удержания. По этой причине эти электронные приборы называются не полностью управляемыми.

В цепях периодического переменного тока каждые полпериода ток меняет свое направление, снижаясь до нуля. При этом каждый раз достигается автоматическое запирание (гашение) симистора. Задерживая или сдвигая момент включения симистора относительно начала полупериода, можно осуществлять регулировку переменного тока.

Меняя длительность задержки от нуля до полупериода (фазовый сдвиг от 0° до 180°), можно осуществлять полную регулировку переменного тока. Иначе говоря, регулирование мощности происходит путем периодического отключения на фиксированный промежуток времени первичной или вторичной обмотки СТ на каждом полупериоде тока; среднее значение тока при этом уменьшается. Такие схемы позволяют регулировать мощность в широких пределах, но ток и напряжение после этого имеют не синусоидальную форму, а процесс горения дуги несколько ухудшается – с уменьшением мощности дуга начинает гореть отдельными все более кратковременными вспышками.

Выпрямитель – регулятор постоянного тока

Схема удобного и надежного регулятора постоянного тока представлена на рис. 64. Диапазон изменения напряжения – от 0 до 0,86 · U2, что позволяет использовать регулятор для зарядки аккумуляторных батарей большой емкости, питания электронагревательных элементов и, разумеется, для проведения сварочных работ как обычным электродом, так и из нержавеющей стали, при плавной регулировке тока.

Выпрямитель-регулятор может подключаться к любому сварочному трансформатору с напряжением вторичной обмотки U2 = 50–90 В. Предлагаемая конструкция очень компактна. Общие габариты не превышают размеры обычного нерегулируемого мостового выпрямителя для сварки постоянным током.

Схема регулятора состоит из двух блоков: управления А и силового В. Первый представляет собой фазоимпульсный генератор. Выполнен он на базе аналога однопереходного транзистора, собранного из двух полупроводниковых приборов n-p-n– и p-n-p-типов. Постоянный ток регулируется переменным резистором R2. В зависимости от положения его движка конденсатор С1 заряжается до 6,9 В с различной скоростью. При превышении этого напряжения транзисторы резко открываются, и С1 начинает разряжаться через них и обмотку импульсного трансформатора Т1. Тиристор, к аноду которого подходит положительная полуволна (импульс передается через вторичные обмотки), при этом открывается.

В качестве импульсного можно использовать промышленные трехобмоточные ТИ-3, ТИ-4, ТИ-5 с коэффициентом трансформации 1:1:1. Подойдут и другие изделия. Например, хорошие результаты дает использование двух двухобмоточных трансформаторов ТИ-1 при последовательном соединении первичных обмоток. Причем все названные типы ТИ позволяют изолировать генератор импульсов от управляющих электродов тиристоров.

Правда, мощность импульсов во вторичных обмотках ТИ недостаточна для включения соответствующих тиристоров в силовом блоке В. Поэтому для включения мощных тиристоров использована пара маломощных тиристоров VS1 и VS2 с высокой чувствительностью по управляющему электроду.

Силовой блок выполнен по однофазной мостовой несимметричной схеме. Здесь тиристоры VS3 и VS4 работают в одной фазе, а плечи на VD6 и VD7 при сварке работают как буферный диод.

Монтаж конструкции может быть навесным, когда детали размещаются непосредственно на выводах импульсного трансформатора и других относительно крупногабаритных элементах схемы. Правильно собранный регулятор должен начать работать сразу, без каких-либо наладок.

Рис. 64. Принципиальная электрическая схема регулятора постоянного тока. График поясняет работу силового блока, выполненного по однофазной мостовой несимметричной схеме (U2 – напряжение, поступающее со вторичной обмотки сварочного трансформатора, α – фаза открывания тиристора, t – время)

Простой сварочный аппарат с регулятором тока

Характерной особенностью этого сварочного аппарата является отсутствие дорогих и дефицитных деталей. В его основе – самодельный тороидальный трансформатор с внешним диаметром сердечника 260 мм, внутренним – 120 мм и высотой 90 мм.

Первичная обмотка намотана проводом ПЭВ-2 ∅2,0 мм, количество витков, рассчитанных на 220 В, примерно равно 170 (этот параметр во многом зависит от плотности сборки пластин). Точное количество витков можно проверить экспериментальным способом. Если ток холостого хода будет больше 1 А, то необходимо домотать витки, если существенно меньше – отмотать. Вторичная обмотка содержит 30 витков шины сечением 15–20 мм или провода ПВ-3 (провод гибкий с медной жилой и ПВХ-изоляцией). Она рассчитана на напряжение 40 В. При необходимости число витков можно увеличить. Третья обмотка содержит столько же витков и намотана проводом МГТФ-0,35.

После изготовления и испытания трансформатора можно приступить к изготовлению схемы управления. Она представляет собой фазовый регулятор тока (рис. 65). Переменное напряжение, снятое с третьей обмотки трансформатора, выпрямляется мостом на диодах VD5—VD8. Положительной полуволной через резисторы R, R2 заряжается конденсатор С1. Когда напряжение достигнет примерно 6 В, происходит пробой аналога низковольтного динистора, собранного на стабилитроне VD9 и тиристоре VS3, и через диод VD3 открывает тиристор VS1, емкость С1 при этом разряжается. То же самое происходит при отрицательной полуволне, только открываются диод VD4 и тиристор VS2. Резистор R3 служит для ограничения тока через аналог динистора.

Налаживание заключается в подстройке резистором R1 необходимой зоны регулирования сварочного тока.

В качестве SA1 можно использовать любой автомат на ток 25 А. Вместо VD3—VD8 – диоды КД202В – КД202М или любые другие, рассчитанные на ток более 0,7 А и напряжение 70 В. Вместо КУ101А можно использовать КУ201– КУ202. Резисторы Rl, R2 должны иметь мощность не менее 10 Вт. С1 типа К50-6. VD1, VD2, VS1, VS2 рассчитаны на ток 160–250 А с любой группой по напряжению. Их необходимо установить на радиаторы с площадью охлаждения не менее 100 см².

Рис. 65. Простой СА с регулятором тока

Контактно-точечная сварка

В мелкосерийном производстве и мастерских домашних умельцев достойное место занимают переносные или небольшие стационарные аппараты электроконтактной (точечной) сварки (ЭСА). По конструкции они представляют собой СА переменного тока, имеющие ряд принципиальных конструктивных и технологических особенностей. Эти особенности связаны в первую очередь с достаточно большим током, протекающим во вторичной (сварочной) обмотке (тысячи ампер), и конструкцией сварочных электродов. Однако те, кто имеет некоторый опыт сборки и налаживания обычных сварочных аппаратов, без особых проблем смогут собрать аппарат и для электроконтактной сварки.

ЭСА состоит из собственно трансформатора, двух электродов и механизма их крепления. При достаточной его мощности толщина свариваемых изделий может достигать 3–4 мм.

Для нормальной работы ЭСА в первую очередь необходимо:

1. Обеспечить номинальный сварочный ток (Iсв), величина которого может колебаться от 1,5 до 5–6 тыс. ампер в зависимости от типа и толщины свариваемых изделий.

Например, тонколистовые кузовные детали автомобилей сваривают током 4000–4500 А.

2. Обеспечить требуемое усилие прижима электродов и длительность сварки, которое устанавливают эмпирическим путем после проверки качества сварки на опытном образце.

Как правило, усилие при сварке не превышает 20–25 кг, а длительность его – 0,8–0,9 с.

3. Обеспечить оперативное включение и выключение ЭСА.

В отличие от обычного сварочного аппарата, выходное напряжение холостого хода (Uxx) ЭСА не имеет существенного значения и в зависимости от его конструкции может изменяться в достаточно широком диапазоне – от 1–2 В до 5–7 В и более, однако чаще всего не превышает 4–5 В.

В любительском ЭСА коммутация первичных и тем более вторичных обмоток, в отличие от промышленных аппаратов, использующих сложный в изготовлении механизм переключения, не предусматривается. Соответственно, дополнительные отводы от первичной и вторичной обмоток трансформатора делать нецелесообразно. Для обеспечения требуемого тока сварки при различной толщине свариваемого металла возможно использование балластного сопротивления, которое состоит из куска нихромовой проволоки ∅3–4 мм соответствующей длины. Балластное сопротивление включают последовательно в цепь сварочной обмотки и подбирают опытным путем.

Необходимо обеспечить аппарат удобными и безопасными зажимами для сварки и короткими, с большим сечением сварочными проводами.

Для изготовления промышленных ЭСА используются магнитопроводы стержневого типа, как более технологичные. В бытовых ЭСА обычно тоже используют сердечники данного типа. Магнитопровод трансформатора набирают из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали, стянутых шпильками. При подборе сердечника необходимо учитывать размеры окна, чтобы поместились обмотки сварочного аппарата, и площадь поперечного сечения сердечника (керна), которая должна быть не менее 50–55 см². Сечение сердечника менее 45 см² брать не рекомендуется.

ЭСА на тороидальных магнитопроводах благодаря высоким электротехническим характеристикам тоже неплохо себя зарекомендовали. При этом трудозатраты на изготовление тороидов, в отличие от СТ для обычной электросварки, не намного выше, чем на сердечниках стержневого типа. Во-первых, ЭСА имеют большую площадь поперечного сечения сердечника (керна), а следовательно, и небольшое число витков первичной обмотки. Во-вторых, низкое U_xx сварочной обмотки предопределяет малое число ее витков (обычно не более 3–5).

Правила намотки обмоток те же, что и для обычных СТ. Первичную обмотку отделяют от вторичной и от магнитопровода изоляционным картоном. Вторичная обмотка трансформатора состоит из нескольких секций, соединенных параллельно.

Подбор сечения обмоточных проводов проводится с учетом специфики работы ЭСА – периодически-кратковременной. При токе сварки 4000–5500 А мощность вторичной обмотки составит 4–5,5 кВт, мощность первичной обмотки с учетом потерь составит порядка 5,5–6 кВт, а следовательно, максимальный ток первичной обмотки может достигать 25–30 А.

Следовательно, сечение провода первичной обмотки S1 должно быть не менее 5–6 мм². На практике желательно использовать провод сечением 6–7 мм². Это либо прямоугольная шина, либо медный обмоточный провод ∅2,6–3 мм (без изоляции).

При недостаточном сечении провода возможна намотка в два провода. При использовании алюминиевого провода его сечение необходимо увеличить в 1,4–1,6 раза.

Число витков первичной обмотки определяется из следующего соотношения:

где 30–35 – постоянный коэффициент; S – сечение керна, см²; U₁ – напряжение сети, В. Для U₁ = 220 В и сечения керна S = 50–55 см²W₁ ≈ 140–145 витков.

Вторичная обмотка W₂ должна содержать 4–5 витков медной изолированной шины суммарным сечением не менее 200 мм² (лучше сечением 240–250 мм²). Вполне подойдет и гибкий многожильный провод (например, сварочный) и трехфазный силовой многожильный кабель. Главное – сечение силовой обмотки не должно быть меньше требуемого, а изоляция – теплостойкой и надежной. Однако выполнить вторичную обмотку из одного толстого провода требуемого сечения трудно. Легче сделать несколько обмоток и соединить их параллельно. Такой метод в основном и используется при изготовлении большинства самодельных ЭСА.

При расположении обмоток на магнитопроводе стержневого типа сетевая обмотка чаще всего состоит из двух одинаковых обмоток W₁¹ и W²₁, расположенных на разных сторонах сердечника, соединенных параллельно и имеющих одинаковое сечение проводов. Намотку первичной обмотки выполняют равномерно по всей длине сердечника, после чего проверяют на предмет наличия короткозамкнутых витков и правильности выбранного числа витков. Трансформатор включают в сеть через плавкий предохранитель (4–6 А). Если предохранитель сгорает или сильно греется – это явный признак короткозамкнутого витка. Следовательно, первичную обмотку придется перемотать, обратив особое внимание на качество изоляции. Если сварочный аппарат сильно гудит, а потребляемый ток превышает 2–3 А, то это означает, что число первичной обмотки занижено и необходимо подмотать еще некоторое количество витков.

Вторичную обмотку ЭСА также наматывают на двух сторонах сердечника поверх первичной. Намотка секционная, равномерная. Например, если на одной стороне керна намотано три секции по пять витков, то и на противоположной стороне должно быть намотано такое же количество секций и витков. Все вторичные обмотки соединяют параллельно.

Порядок намотки и расположения обмоток на магнитопроводе тороидального типа более прост. Сетевая обмотка состоит из одной обмотки W₁, равномерно намотанной по всей окружности сердечника. Вторичная обмотка состоит из нескольких параллельно соединенных обмоток, также равномерно намотанных по всей длине окружности сердечника. Число обмоток (секций) определяется толщиной провода и может составлять от двух-трех до пяти-шести суммарным сечением не менее требуемого.

Контактно-точечную сварку производят с помощью электродов, изготавливаемых из медных прутков, не тоньше ∅15 мм. Концы электродов заточены на конус с плоской контактной поверхностью. Диаметр этой поверхности должен быть на 3 мм больше двойной толщины свариваемых листов, т. е. D = 2S + 3, где D – диаметр контактной поверхности, мм; S – толщина свариваемого материала, мм.

С течением времени контактная поверхность электродов изнашивается. Она становится значительно больше первоначальной, что изменяет режим сварки и снижает ее прочность. Чтобы качество сварки было всегда высоким, электроды необходимо периодически зачищать напильником с мелкой насечкой, приводя их контактную поверхность в первоначальный вид.

Вышеприведенные правила и методики относятся к стабильно работающим образцам ЭСА. В то же время при изготовлении самодельных устройств от некоторых из них можно слегка отступить в силу того, что у многих любителей ЭСА обычно работает редко, а толщина соединяемых деталей невелика. В частности, число витков первичной обмотки можно взять минимально расчетное в связи с кратковременностью работы СА, а для нужд радиолюбителя и мощность аппарата (и, соответственно, сечение магнитопровода) может быть немного меньшей. Кроме того, мощность, отдаваемая в момент сварки, должна быть максимальной, но не более 5–5,5 кВт. В этом случае потребляемый из сети ток не превысит 25 А.

Рассмотрим несколько подобных конструкций.

Этот сварочный аппарат позволяет надежно соединять листовую сталь толщиной до 3 мм. А если его оснастить угольными электродами, то можно использовать для сварки алюминия, пайки медью и серебром, для нагрева металлических изделий перед изгибанием или термической обработкой. Отлично сваривается нержавеющая сталь, поскольку имеет хорошую теплопроводность и низкую температуру плавления.

Регулировка величины тока в СА не предусмотрена. Ход сварки определяется временем нагрева (т. е. прохождением тока) и контролируется визуально – по цвету расплавляемого металла. Для некоторой автоматизации можно оснастить СА любым электронным реле времени с диапазоном выдержки 0,5–5 с.

В качестве базового трансформатора используется серийный ОСМ-1,0 мощностью 1–2,5 кВА. Первичную обмотку у него можно оставить без каких-либо изменений. Хотя здесь всего 200 витков ПЭВ-2 ∅1,9 мм, но импульсный режим работы позволяет эксплуатацию трансформатора в таком тяжелом режиме. Вторичные обмотки удаляют и вместо них проводом ПВ3-50 наматывают новую – две трехвитковые полуобмотки, включенные параллельно, чтобы общее сечение составляло 100 мм².

Держатели электродов изготовлены из дюралюминиевого прутка ∅30 мм (рис. 66, а). Причем нижний, как показывает практика, лучше сделать неподвижным, изолированным от щечек текстолитовыми шайбами, а от крепежных болтов М8 – лакотканью или защитной клейкой лентой на хлопчатобумажной основе. Верхний держатель подвижный, он приводится в движение с помощью рукоятки. Сами электроды должны быть медными ∅12–15 мм. Они закрепляются в держателях при помощи прямоугольной латунной шайбы и двух винтов М6, для которых в специальных стальных вкладышах выполняется соответствующая резьба.

В исходном положении держатели с электродами разведены пружиной с подходящими габаритами (например, от старой кровати-раскладушки). Но надо сделать так, чтобы пружина не создавала короткого замыкания на выводах вторичной обмотки во время работы сварочного трансформатора. Нижний конец пружины должен быть электрически изолирован от всех остальных деталей СА при любых, даже самых невероятных ситуациях. Одним из вполне приемлемых технических решений является вариант с применением разделительной пластмассовой втулки, закрепленной в торце неподвижного держателя электрода винтом М6. В случае размещения конструкции в закрытом корпусе имеет смысл сделать отдельный от токоведущих частей кронштейн для крепления пружины и прикрепить его к корпусу, предусмотрев соответствующую изоляцию.

Подсоединять сварочный аппарат к сети желательно по хорошо зарекомендовавшей себя принципиальной электрической схеме (рис. 66, б) через автоматический 20-амперный выключатель. На такой же (как минимум!) ток должен быть рассчитан и электросчетчик. Корпус и вторичную обмотку трансформатора необходимо заземлить.

Непосредственное управление СА осуществляется с помощью магнитного пускателя К1, включаемого педалью с кнопкой S2 типа «грибок». Соединяемые детали зажимают между электродами, протекающий между ними ток разогревает металл, после чего отключается электричество, увеличивается сила сжатия электродов, и в итоге образуется сварное соединение.

Рис. 66. Аппарат для точечной сварки листовой стали:

а – держатели электродов; б – схема подсоединения сварочного аппарата к сети; 1 – трансформатор; 2 – токопровод (дюралюминиевый пруток ∅30, L= 300 мм, 2 шт.); 3 – вкладыш (стальной пруток ∅10, L = 30 мм, 2 шт.); 4 – электрод (медный пруток ∅12, L = 50 мм, 2 шт.); 5 – шайба латунная (2 шт.); 6, 12 – винты М6; 7 – рукоятка; 8 – эксцентрик; 9 – щека (2 шт.); 10 – пружина; 11 – вывод половины вторичной обмотки (4 шт.); 13 – втулка текстолитовая (с канавкой под концевую петлю пружины); 14 – болт М8 (6 шт.); 15 – шайба текстолитовая (4 шт.); 16 – покрытие изоляционное (лакоткань или защитная клейкая лента на тканевой основе, 2 шт.); 17 – кожух трансформатора

Включать и выключать аппарат надо только при сжатых электродах. Несоблюдение этого простого правила грозит возникновением интенсивного искрения, что приводит к подгоранию электродов с крайне нежелательными последствиями.

Во время сварки следует постоянно следить за температурным режимом, поскольку принудительное охлаждение не предусмотрено ни для трансформатора, ни для токопроводов и электродов. По мере необходимости следует делать перерывы в работе, но ни в коем случае не допускать перегрева устройства.