Маломощный сварочный аппарат.

Совершенно очевидно, что многие домашние проблемы и не только радиолюбительские были бы легко разрешены, будь под рукой небольшой сварочный аппарат. Имеющиеся в продаже промышленные аппараты весьма дороги, часто громоздки и тяжелы, некоторым из них нужна трехфазная сеть. Создание же самодельного электросварочного аппарата связано с определенными трудностями (такими, например, как отсутствие точной информации 6 пределах изменения электрических параметров прибора в процессе сварки). В этой статье описаны два варианта сварочного аппарата, даны рекомендации по расчету и выбору компонентов. В основу конструкции автор положил сравнительно редко используемый принцип получения "падающей" характеристики — управление углом отсечки напряжения питания.

Процесс сварки (без подачи инертного или каталитического газа) заключается в создании условий для образования электрической дуги при напряжении 50...80В между электродом и свариваемыми деталями и дальнейшим поддержанием дуги при напряжении 18...25 В для расплавления материала деталей и электрода. Для этого необходим источник тока с так называемой "падающей" вольт-амперной характеристикой [1].

На рис. 1 показана типичная статическая ВАХ дуги. При наложении на нее выходной ВАХ сварочного трансформатора легко видеть, что устойчивой точкой поддержания дуги является точка А, причем увеличение крутизны "падения" характеристики сварочного трансформатора приводит к еще большей стабилизации дуги.

.Рис.1

В аппаратах переменного тока, работающих от однофазной сети, дуга должна возникать при каждом полупериоде питающего напряжения, что делает более жесткими требования к аппарату и материалу электрода, чем при сварке постоянным током или трехфазным.

При изготовлении аппарата дуговой сварки часто пытаются копировать промышленные образцы, которые для обеспечения падающей характеристики в большинстве своем выполнены на основе магнитопровода с повышенным магнитным рассеянием или дросселя [1, 2]. В условиях домашней лаборатории на указанных принципах трудно создать аппарат с хорошими массогабаритными показателями, кроме того, он неспособен удовлетворительно работать в режиме контактной сварки [2], которая представляет для радиолюбителей большой интерес.

Существует принцип формирования "падающей" ВАХ способом управления углом отсечки синусоидального напряжения, позволяющий решить проблемы снижения массы аппарата, а также расширить возможности его применения. На рис. 2 показана функциональная схема сварочного аппарата, работающего по этому принципу. Напряжение вторичной обмотки и трансформатора Т1 в момент замыкания контактов коммутатора тока S1 поступает на сварочный электрод. Если замыкать контакты коммутатора во второй половине полупериода напряжения сети (в момент t₃, рис. 3,а), то первоначальный уровень напряжения U₃ обеспечит образование электрической дуги, а падающая характеристика будет следствием изменения мгновенного напряжения и по синусоидальному закону.

Рис.2.

Для аппаратов, работающих на малых значениях сварочного тока, необходимо обеспечить крутопадающую характеристику. Этого достигают выбором числа витков вторичной обмотки. На рис. 3,6 показано, как можно изменять крутизну характеристики при одном и том же напряжении зажигания дуги U₃. Таким образом, в аппарате с управлением углом отсечки вторичного напряжения есть все условия для образования электрической дуги и возможность регулирования мощности.

Другим требованием к аппаратам является обеспечение необходимого времени восстановления напряжения зажигания после замыкания цепи электрод—деталь (каплями расплава и т. п.) — не более 50 мс. В аппарате описываемой структуры эта требование выполняется автоматически при высоком быстродействии коммутатора S1. Оптимизации процесса для конкретного диаметра электрода, материала детали и т. п. добиваются выбором момента замыкания контактов коммутатора S1 (t₃ на рис. 3,а).

Рис.3.

При построении сварочного аппарата предпочтительно применение тороидального магнитопровода, обладающего минимальными габаритами и полем рассеяния. Изменением времени коммутации t3 можно перевести аппарат в режим жесткой выходной характеристики, что превратит его в мощный источник переменного или выпрямленного напряжения, который может работать, например, зарядным устройством, или в установке точечной контактной сварки.

Следует отметить, что проведение точного расчета магнитопровода трансформатора нецелесообразно, так как в радиолюбительских условиях приходится довольствоваться тем, что есть. Более того, обычно неизвестна ни марка, ни технология прокатки электротехнической стали магнитопровода, а одной магнитной проницаемости (которую, в общем, нетрудно определить) для расчета недостаточно. Можно рекомендовать следующую методику ориентировочного расчета трансформатора.

Сначала находят требуемую мощность. Основным критерием здесь служит максимальный диаметр электрода, определяющий примерное действующее значение сварочного тока. Так, для электрода диаметром 1,5 мм сварочный ток должен быть в пределах 25...40А, для 2 мм —60...70А, для 3 — 100...140А, для 4 — 160...200. Мощность трансформатора в ваттах равна

Р_тр = 25*I_СВ, где:

• I_CB — сварочный ток в амперах.

Далее определяют сечение магнитопровода в см:

S > 0,015*P, где:

• Р — в ваттах.

Для магнитопроводов, отличных от тороидального, следует увеличить сечение в 1,3...1,5 раза.

Затем вычисляют диаметр в мм провода первичной обмотки:

d₁ ³1,13 Ö(P/2000)

Диаметр в мм провода вторичной обмотки вычисляют по формуле:

d_{II ³}1,13 ÖI/i, где:

• i — плотность тока в А/мм².

При токе I, меньшем 100А, принимают i равной 10 А/мм²; при токе менее 150А — 8 А/мм², при токе менее 200А — 6 А/мм². Если используют некруглый провод, его сечение должно быть равным сечению круглого. В расчете принято, что среднее суммарное время горения дуги не превышает 20 % от среднего суммарного времени пауз между периодами горения дуги.

Теперь обычным порядком рассчитывают условия заполнения обмотками окна магнитопровода. Соотношения здесь не даны; напомним лишь о необходимости внимательно отнестись к расчету, не забыть учесть толщину слоев изоляции.

С учетом изложенного были разработаны два варианта сварочного аппарата меньшей и большей мощности, отличающихся сетевыми трансформаторами, схемы которых показаны на рис. 4,а и б соответственно. Первичная обмотка обоих трансформаторов сконструирована так, чтобы возможно было варьировать число витков, включенных в сеть. Намоточные характеристики трансформаторов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Сетевой трансформатор аппарата	Обмотка	Число витков	Провод, диаметр, мм (сечение, мм2)	Примечания
Меньшей мощности (рис. 4,а)	1	240	ПЭВ-2 1,5	2 отвода: от 10-го и 220-го витка
	II	40	МГШВ (0,35)	Пригоден любой провод сечением от 0,2 до 0,75 мм 2с изоляцией, допускающей работу при температуре не менее +80°С
	III IV-VII	20 по 5	ПВЗ (10) ПВЗ (10)	Допустимо использование провода ПВЗ сечением 6 мм2 при намотке в "два провода"
Большей мощности (рис. 4,6)	1	185	ПЭВ-2 1,8	3 отвода: от 20-го, 30-го и 135-го витка
	II	40	МГШВ (0,35)	Пригоден любой провод сечением от 0,2 до 0,75 мм2 с изоляцией, допускающей работу при температуре не менее +80°С
	III IV—IX	по 4	(10x3) (10x3)	Допустимо использование любого провода указанного сечения с изоляцией, имеющей теплостойкость не ниже +80°С

Таким образом, сетевое напряжение 220В у первого из трансформаторов (рис. 4,а) может быть подведено к 210, 220, 230 или к 240 виткам первичной обмотки, а у второго (рис. 4,6) —к 115, 135, 155, 165 или к 185 виткам. Это позволяет в довольно широких пределах изменять коэффициент трансформации и вместе с коммутацией сильноточных обмоток III—VII (III— IX) подбирать оптимальный режим сварки. Для дуговой сварки сильноточные обмотки соединяют последовательно, а для контактной — параллельно.

В сетевом трансформаторе аппарата меньшей мощности вместо провода ПВ3 (ГОСТ 6323—79) можно использовать и другой, допускающий работу при температуре до +80 °С и имеющий указанное сечение. Магнитопровод использован от трансформатора ЛАТР-9 без какой-либо переделки. Первичную обмотку изолируют лентой из лакоткани или, в крайнем случае, черной липкой тканевой изолентой. При сварке электродами диаметром до 2 мм возможно подключение этого аппарата к бытовой сети переменного тока напряжением 220В.

Рис.4.

Аппарат большей мощности предназначен для сварки электродами диаметром до 4 мм при соответствующей мощности питающей сети. Магнитопровод составлен из двух от трансформаторов ЛАТР-9, у которых внутренний диаметр увеличен до 80 мм — удалена часть витков стальной ленты — для размещения обмоток. Снятые два отрезка стальной ленты намотаны на магнитопроводы и закреплены с внешней стороны.

На выводы обмоток III—VII трансформатора аппарата меньшей мощности надевают и пропаивают наконечники с отверстием под винт М5. Можно использовать стандартные наконечники 10-5-5 (ГОСТ 7386-80), 10-5-М (ГОСТ 22002.1-82) или вырубить их зубилом из медного (латунного) листа толщиной не менее 1 мм. При дуговой сварке обмотки соединяют последовательно, при контактной — параллельно, как показано на рис. 4. Число подключенных обмоток может изменяться в зависимости от требуемой крутизны падающей характеристики при дуговой сварке, или для обеспечения допустимого тока через обмотки при контактной сварке. В аппарате большей мощности наконечники не нужны, отверстия под винт М5 сверлят непосредственно в выводах у их конца.

Рис.5.

Принципиальная схема узла управления сварочным аппаратом показана на рис. 5. Переменное напряжение, поступающее с обмотки II сетевого трансформатора, перезаряжает конденсатор С1 в каждый полупериод с постоянной времени, определяемой сопротивлением резисторов R1, R2. К выводам конденсатора С1 подключена последовательная цепь, состоящая из диодного моста VD5 и управляющих переходов тринисторов VS1 и VS2 с развязывающими диодами VD3, VD4. На транзисторах VT1, VT3 собрано пороговое устройство с регулируемым подстроенным резистором R6 порогом срабатывания.

Как только напряжение на конденсаторе С1 (положим, плюс на верхней по схеме обкладке), увеличиваясь, достигнет порогового уровня, устройство срабатывает и конденсатор разряжается через мост VD5 и управляющий переход тринистора VS2. На этом тринисторе в текущем полупериоде прямое напряжение, поэтому он открывается, пропуская ток к месту возникновения сварочной дуги. Диоды VD4 и VD2 в текущем полупериоде закрыты.

В следующем полупериоде изменяется на обратную полярность напряжения на конденсаторе С1. Поэтому после очередного срабатывания порогового устройства окажется закрытым диод VD3 и импульс разрядки конденсатора откроет тринистор VS1. Таким образом, сварочную дугу будут зажигать импульсы одинаковой полярности.

Как уже упомянуто, порог срабатывания можно регулировать резистором R6. При повышении порога увеличивается мощность импульса, открывающего тринисторы, что может потребоваться, когда аппарат эксплуатируют при пониженной окружающей температуре. Переменный резистор R2 позволяет изменять время зарядки конденсатора С1 от начала полупериода до момента срабатывания порогового устройства, т. е. регулировать крутизну падения характеристики аппарата.

Резистор R3 ограничивает ток разрядки конденсатора С1 и определяет длительность импульсов, открывающих тринисторы VS1, VS2; конденсатор С2 способствует формированию фронта и спада импульсов. Диод VD6 защищает эмиттерный переход транзистора VT3 от перегрузки в момент спада импульса. Транзистор VT2 играет роль слаботочного стабилитрона.

Детали

Тумблер SA1 монтируют на панели управления аппаратом. Для контактной сварки этот тумблер целесообразно дублировать ножным переключателем. При массовой сварке тонколистовых деталей включать и выключать аппарат можно исполнительными контактами реле времени, подключаемыми параллельно тумблеру SA1. Если же изменения порога срабатывания не требуется, пороговое устройство VT1VT3 можно заменить последовательной цепью из резистора сопротивлением 51 Ом мощностью 0,5 Вт и динистора КН102Б, подключенной к точкам А и Б. Резистор служит ограничителем тока разрядки конденсатора С1.

В узле управления аппаратов конденсатор С1 — МБМ или любой бумажный на номинальное напряжение 160В и более; конденсатор С2 — КМ-6. Переменный резистор R2 — ППБ-2 с характеристикой А, а подстроечный R6 — СП5-16ВА. Тумблер SA1-MT-1.

Диоды Д237А можно заменить любыми, которые выдерживают импульсы тока в 1А. Таким же критерием определен выбор диодного моста VD5. Вместо КД513А подойдет любой маломощный кремниевый с малым обратным током. Диоды VD1 и VD2 должны иметь предельно допустимый прямой ток не менее значения сварочного тока для выбранной конструкции. То же самое относится и к выбору тринисторов VS1 и VS2.

Вместо КТ807Б подойдет любой n-р-n транзистор, выдерживающий импульсный ток коллектора не менее 1А при напряжении коллектор—эмиттер не менее 40В, а вместо КТ502В — любой, структуры p-n-р на ток коллектора не менее 0,3А на то же коллекторное напряжение.

Рис.6.

Оба аппарата имеют сходную конструкцию. На рис. 6 схематически показано устройство аппарата меньшей мощности. Его основой служит рама 1, собранная из дюралюминиевых планок уголкового профиля или, в крайнем случае, из деревянных реек, усиленных дюралюминиевыми уголками. В нижней части рамы закреплен сетевой трансформатор 3 в обечайке от трансформатора ЛАТР. На правой стойке рамы крепят изоляционную колодку 2 с зажимами для подключения аппарата к сети, на левой стойке — коробку 4 с электронным узлом и органами управления — переменным резистором R2 и тумблером SA1.

Вторичные обмотки трансформатора переключают на самодельной прочной текстолитовой колодке 5. Сварочные "шланги" подключают либо к соединенным вместе гибким выводам диодов VD1VD2 — один — и тринисторов VS1, VS2 — другой, —либо непосредственно к теплоотводам 8 (для так называемого максимального режима контактной сварки необходимо обеспечить минимальное падение напряжения на подводящих проводниках).

Мощные диоды 7 и тринисторы 6 (VD1, VS1 и VD2, VS2) располагают на двух изолированных теплоотводах 8 площадью не менее 100 см² каждый. В мощном аппарате теплоотводы установлены на дополнительных поперечных рейках. Для защиты трансформатора от механических повреждений и прикосновения к токоведущим деталям предусмотрен общий цилиндрический кожух из листовой стали, прикрепляемый к несущей раме (на рисунке он не показан).

Настройка

Налаживание аппарата сводится к установке амплитудного значения напряжения открывающего импульса, достаточного для открывания тринисторов, переменным резистором R6 (около 20...30 В). Для контроля амплитуды импульсов осциллограф подключают к точкам А и Б (рис. 3,а). При синхронизации осциллографа от сети можно провести проверку и корректировку пределов регулирования угла отсечки (рис. 3,а), имея в виду, что увеличение номиналов R1, R2, С1, а также увеличение амплитуды открывающих импульсов приводит к увеличению времени t3. Оптимизируют режим сварки переменным резистором R2, ограничить угол отсечки можно подборкой резистора R1.

В заключение сообщим, что аппараты обеспечивают два режима контактной сварки — максимальный и регулируемый (соединение тонких листовых деталей). При максимальном режиме электронный узел исключают из работы. Сварочные "шланги" — это отрезки гибкого многопроволочного изолированного кабеля сечением 10...15 мм2, в зависимости от значения сварочного тока.

По принципу действия аппараты можно также отнести к регулируемым выпрямителям, что позволяет применять их в качестве мощных источников напряжения постоянного тока. Выходное напряжение можно регулировать в широких пределах (4...60 В) выбором числа подключаемых вторичных обмоток и изменением угла отсечки. Аппарат меньшей мощности можно применить в качестве зарядного устройства для мотоциклетных или автомобильных батарей аккумуляторов, а аппарат большей мощности способен обеспечить стартерный запуск двигателя автомобиля при совместной работе с аккумуляторной батареей.

Технология электродуговой сварки хорошо освещена в литературе, например в [1, 2], следует лишь отметить, что в показанном на схеме рис. 5 подключении детали и электрода лучше сваривать тонкие изделия, а массивные — при обратной полярности подключения.