МАЛОМОЩНЫЙ ЭЛЕКТРОСВАРОЧНЫЙ АППАРАТ

Совершенно очевидно, что многие домашние проблемы (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 о 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...80 В 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.

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 магнигопровода с повышенным магнитным рассеянием или дросселя [1, 2]. В условиях домашней лаборатории на указанных принципах трудно создать аппарат с хорошими массо-габаритными 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 U2 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 tз, рис. 3,а), то первоначальный уровень напряжения Uз обеспечит образование электрической дуги, а падающая характеристика будет следствием изменения мгновенного напряжения Un по синусоидальному закону.

Для аппаратов, работающих на малых значениях сварочного тока, необходимо обеспечить крутопадающую характеристику. Этого достигают выбором числа витков вторичной обмотки. На рис. 3.б показано, как можно изменять крутизну характеристики при одном и том же напряжении зажигания дуги. 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 это 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 (tз на рис. 3,а).

При построении сварочного аппарата предпочтительно применение тороидального магнитопровода, обладающего минимальными габаритами и полем рассеяния. Изменением времени коммутации tз 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...40 А, для 2 мм - 60...70 А, для 3 - 100...140, для 4 - 160...200. Мощность трансформатора в ваттах равна Ртр=25Icв, где Icв- сварочный ток в амперах.

Далее определяют сечение магнитопровода в см.кв: S>0,015*Р (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: di >= 1,13 SQR P/2000 . Диаметр в мм провода вторичной обмот-ки вычисляют по формуле: dii>=1,13 SQR I/i, где i - плотность тока в А/мм2. При токе I, меньшем 100 А, принимают i равной 10 А/мм2; при токе менее 150 А - 8 А/мм2, при токе менее 200 А - 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.