Конструкция и принцип работы простейших сварочных аппаратов
Для получения устойчивой сварочной дуги, которая позволит сваривать металл разной толщины, требуются токи в пределах 70 – 150 А. Если использовать устройства, рассчитанные на напряжение 220 В, то они должны потреблять высокую мощность, в пределах 15 – 30 кВт. Поэтому такие установки будут громоздкими, да и работать с ними нормально не выйдет. А в домашних условиях их просто будет невозможно подключить, стандартные сети не рассчитаны на подобную нагрузку.
Поэтому основной задачей при проектировании и сборке сварочных аппаратов становится обеспечение необходимой силы тока при снижении потребляемой мощности. Это возможно только при выполнении сварочных работ с пониженным напряжением на электродах.
Простейший сварочный аппарат представляет собой следующую конструкцию:
- Понижающий трансформатор, обеспечивающий снижение напряжения до пределов 55 – 70 В и повышающий при этом силу тока до требуемых параметров. Благодаря этому и удаётся снизить энергопотребление до разумных пределов.
- От трансформатора к электроду и обрабатываемой детали ток подаётся при помощи специальных сварочных кабелей. Они отличаются увеличенным сечением и усиленной изоляцией, позволяющей работать с большими токами.
- Для сварки потребуются электроды, устанавливаемые в держатель. Благодаря применяемой обмазке они упрощают зажигание и поддерживание электрической дуги, которая и становится источником тепловой энергии, необходимой для плавления металла.
Сварочный трансформатор
Сложных устройств в конструкции таких сварочных аппаратов нет. Но при проектировании необходимо выполнить расчёт основных параметров, иначе подключение несоответствующего оборудования к сети приведёт к выходу его из строя, к коротким замыканиям на линии или им просто будет невозможно варить.
Держак для крепления электродов
Как сделать сварку самостоятельно мы уже рассказали, теперь несколько слов об устройстве, в которое вставляются электроды. Простейшее приспособление делается из куска металлической трубы:
- берем отрезок длиной не менее 20 см с диаметром 20 мм,
- на обоих конца делаются выемки, отступив от края 40 мм, глубина не более 0,5 диаметра трубы,
- с одной стороны, вставляем электрод и прижимаем его к трубе приваренным к трубке куском из стали, толщиной не менее 5 мм и снабженным сильной пружиной (по примеру бытовой плойки),
- ко второму концу прикрепляется провод от самодельного устройства.
Прежде чем подсоединять провод, надеваем на трубу дюрит (трубка из армированного полимера) с подходящим диаметром, исключающим его проворачивание во время работы.
Варианты конструкции
Существует много разновидностей держателей для электродов, но суть у них одна — надежная фиксация стержня для сварки. К основным типам относятся:
- Устаревший вариант закрепления электродов в форме тройника.
- Клещи — наиболее популярный вид, т. к. электрод зажимается под нужным углом. Недостатки заключаются в слабой фиксации.
- Винтовой способ — обеспечивает прочное зажатие, но смена электродов отнимает больше времени у исполнителя.
Некоторые производители сварочного оборудования соединяют вместе основные виды, например, тип клещи, но электрод вставляется в разные отверстия под определенным углом.
Н. О. Кондратьев, образование: колледж, специальность: сварщик шестого разряда, опыт работы: с 2002 года: «Начинающим сварщикам надо использовать надежные держатели для электродов, чтобы стержень не гулял во время сварки, а жестко сидел в креплении — от этого зависит качество шва».
Процесс сборки контактной точечной сварки из инвертора
С трансформатора удаляется вторичная обмотка, вместо нее создается новая из медного провода сечением не менее 200 мм². Она укрывается термобумагой, поверх которой накладывается лак для фиксации и улучшения изоляции.
Обе обмотки следует заземлить, так как контакт с находящимися под напряжением элементами из-за высокой мощности тока может быть смертельно опасным. Необходимо следить за плотностью укладки витков, в противном случае между ними могут образоваться замыкания – провода перегреются и перегорят.
Также при сборке аппарата для контактной точечной сварки необходимо предусмотреть охлаждение трансформатора. Для этого можно использовать обдуваемые вентиляторами радиаторы.
Емкости конденсаторных устройств, имеющихся в некоторых моделях инверторов, для контактной сварки может не хватить, потому при необходимости следует приобрести подходящие по своим характеристикам элементы.
Определение параметров
Чтобы изготовить электрический сварочный аппарат, необходимо понимать принцип действия. Он преобразует величину входного напряжения (220 В) в пониженное (до 60-80 В). При этом процессе невысокая сила электротока в первичной обмотке (около 1,5 А) возрастает во вторичной (до 200 А). Данная прямая зависимость работы трансформаторов именуется вольтамперной характеристикой понижающего типа. От этих показателей зависит работа устройства. На ее основании проводятся вычисления, и определяется конструкция будущего аппарата.
Номинальный режим работы
Перед тем как сделать сварку, необходимо определить ее будущий номинальный режим использования. Он показывает, которое время приспособления для сварочных работ, изготовленные своими руками, могут непрерывно варить и сколько должны остывать. Этот показатель именуется еще продолжительностью включения. Для самодельных электроаппаратов он расположен в районе 30 %. Это значит, что из 10 минут он способен непрерывно работать 3, а отдыхать 7 минут.
Номинальное рабочее напряжение
Работа трансформаторного сварного устройства основана на понижении входной величины напряжения до рабочей номинальной. При изготовлении сварочного аппарата можно сделать любое значение выходных параметров (30-80 В), что прямо влияет на диапазон рабочих электротоков. В отличие от электросети питания напряжением 220 В, выходное значение может составлять и порядка 1,5-2 Вольта в изделиях для точечной электросварки. Это обусловлено необходимостью получения высокого уровня тока.
Напряжение сети и количество фаз
Действующая схема подключения сварочного трансформатора самодельного типа рассчитывается на подключение к бытовой однофазной электросети. Для мощных сварных устройств используется промышленная сеть с тремя фазами на 380 В. От величины этого входного параметра и выполняются остальные вычисления. Изготовленная своими руками мини сварка использует включение в домашнюю электросеть и не требует больших питающих величин напряжения.
Напряжение холостого хода
Бытовой сварочник, собранный своими руками, должен иметь величину напряжения х/х, достаточную для розжига электродуги. Чем больше это значение, тем легче она будет появляться. Изготовление аппарата должно соответствовать действующим нормам безопасности, которые ограничивают выходное напряжение до максимальных 80 В.
Номинальный сварочный ток трансформатора
Перед тем как самому сделать электросварочный аппарат, необходимо определиться с размером номинального тока. От него будет зависеть возможность выполнения самих работ на металлах разнообразной толщины. При бытовой электросварке вполне достаточно значения в 200 А, что позволяет сделать вполне работоспособный аппарат. Превышение данного показателя потребует увеличения мощности электротрансформатора, что сказывается как на росте его габаритов, так и весе.
Инверторный аппарат для точечной сварки
Этот аппарат собран на базе импульсных схем и позволяет производить точечную сварку даже при питании от низковольтных источников типа аккумуляторов.
Схема и необходимые элементы
Схема данного прибора представляет собой инвертор, который преобразует постоянное напряжение в высокочастотные колебания с частотой 30-50 кГц.
Колебательный контур генератора определяется индуктивностью первичной обмотки трансформатора и конденсатором, емкость которого не должна превышать 2 мкФ. В принципе, емкость можно увеличить, но тогда генератор будет работать на более низких (звуковых) частотах, в результате чего трансформатор будет излучать свист.
Алгоритм создания аппарата:
- Из силового трансформатора блока питания компьютера АТХ 450 делается импульсный трансформатор.
- Из трансформатора удаляются все обмотки и наматывается первичная обмотка жгутом из 3 проводов диаметром 1 мм.
- Поверх первичной обмотки наматывается 1 виток вторичной обмотки, представляющий собой медную ленту шириной 22 мм и толщиной 1 мм.
- Вторичная обмотка фиксируется в трансформаторе эпоксидным клеем, а на концы ее напаиваются латунные клеммы. В клеммы вставляются и фиксируются отрезки медного провода диаметром 2 мм, которые и будут выполнять роль электродов.
- Используемый в схеме дроссель выполняется на тороидальном сердечнике и имеет от 10 до 30 витков провода диаметра 1,5 мм.
- Транзисторные ключи крепятся на небольших радиаторах.
- Все элементы устанавливаются на плате из изоляционного материала и соединяются пайкой с помощью проводов в соответствии со схемой аппарата.
- Сверху электрическая схема закрывается корпусом из изоляционного материала.
- В удобном месте устанавливается кнопка управления.
Достоинства и недостатки конструкции
Достоинства:
- Довольно высокая выходная мощность, позволяющая проводить сварку аккумуляторов и других более крупных деталей.
- Схема может питаться от источника постоянного тока с напряжением от 6 до 24 В.
- Можно использовать как сетевой источник питания (например, блок питания от компьютера), так и мощный аккумулятор.
- Малый вес и габариты.
- Низкая себестоимость.
Недостатки:
- Питание должно осуществляться только от мощных источников. При просадках тока источника питания в аппарате могут появиться неисправности.
- При сварке необходимо выполнять правильный режим работы. После двух секунд сварки делать перерыв на 2-3 секунды.
Общие сведения о сварочном инверторе
Традиционные сварочные аппараты имеют достаточно низкую цену, легкую ремонтоспособность, однако очень существенный недостаток не только их вес, но и зависимость от напряжения. Ввод электронного счетчика ограничен мощностью от 4 до 5 кВт. Для сварки толстого металла аппарат потребляет значительную мощность и зачастую выполнение работ становится невозможным. На смену им пришли инверторные сварочные аппараты.
Назначение и особенности функционирования
Применяется для проведения сварочных работ в домашних условиях, а также на предприятиях, обеспечивает стабильное горение и поддержание сварочной дуги, используя ток высокой частоты (отличной от 50 Гц).
Сварочный инвертор является обыкновенным импульсным блоком питания, работа которого основана на следующих принципах:
- Входное напряжение (сетевое питание сварочного инверторного аппарата 220 В переменного тока) преобразуется в постоянное.
- Постоянный ток преобразовывается в высокочастотный переменный.
- Происходит процесс преобразования напряжения путем его снижения.
- Выпрямление тока и преобразование для сварочных работ с сохранением частоты.
Благодаря этим моментам происходит снижение массы и габаритов аппарата. Для того чтобы собрать инверторную сварку своими руками необходимо знать принцип работы этого аппарата.
Принцип работы оборудования
В предыдущих моделях основным элементом являлся огромный мощный силовой трансформатор, позволяющий получать во вторичной обмотке мощные токи, необходимые для сварочных работ. Для получения такой силы тока необходимо использовать провод большим диаметром, что сказывается на весе сварочного аппарата.
С изобретением импульсного блока питания решить проблему с массой и размерами оказалось проще, ведь размеры и вес самого трансформатора снижаются в несколько десятков или сотен раз. Например, при увеличении частоты в 6 раз можно снизить габариты трансформатора в 3 раза. Это приводит к значительной экономии материала.
Благодаря мощным ключевым транзисторам, применяемым в инверторной схеме, происходит переключение с частотой от 50 до 80 кГц. Эти транзисторы работают только от постоянного напряжения.
Как известно из курса физики, для получения постоянного напряжения применяется простейший полупроводниковый прибор — диод. Диод пропускает ток в одном направлении, отсекая отрицательные значения синусоидального напряжения. Но применение одного диода приводит к большим потерям, поэтому применяется группа, состоящая из мощных диодов, которая называется диодным мостом.
На выходе диодного моста получается постоянное пульсирующее напряжение. Для получения нормального постоянного напряжения применяется конденсаторный фильтр. После этих преобразований на выходе фильтра появляется напряжение постоянного тока свыше 220 В.
Блок, состоящий из выпрямительного моста и фильтрующих элементов, называется блоком питания (БП).
БП служит источником питания инверторной схемы. Транзисторы подключены к понижающему трансформатору, который является импульсным и работает на частотах в диапазон от 50 до 90кГц. Мощность такого трансформатора примерно такая же, как и у его огромного собрата — сварочного силового трансформатора.
Модернизация такого прибора становится более легкой, потому что благодаря его размерам и массе, появляется дополнительные возможности по увеличению стабильности работы сварочного аппарата.
Существует огромное количество изготовления самодельных сварочных инверторов, схемы которых разнообразны по функциональности и способам монтажа. Разберем каждую из самодельных моделей подробно.
Самодельный аппарат точечной сварки
Готовый аппарат для точечной сварки имеет достаточно высокую цену, которая не оправдывает его внутреннюю “начинку”. Устроен он очень просто, и сделать его самому не составит большого труда.
Чтобы самостоятельно изготовить точечный сварочный аппарат, потребуется один трансформатор от микроволновки мощностью 700-800 Вт. С него нужно убрать вторичную обмотку способом, описанным выше, в разделе, где рассматривалось изготовление сварочного аппарата из микроволновки.
Аппарат для точечной сварки делается следующим способом.
- Сделайте 2-3 витка внутри манитопровода кабелем с диаметром проводника не менее 1 см. Это будет вторичная обмотка, позволяющая получить ток в 1000 А.
- На концах кабеля рекомендуется установить медные наконечники.
Если подключить к первичной обмотке 220 В, то на вторичной обмотке мы получим напряжение 2 В с силой тока около 800 А. Этого будет достаточно, чтобы за несколько секунд расплавить обычный гвоздь.
Далее, следует сделать корпус для аппарата. Для основания хорошо подойдет деревянная доска, из которой следует изготовить несколько элементов, как показано на следующем рисунке. Размеры всех деталей могут быть произвольными и зависят от габаритов трансформатора.
Чтобы придать корпусу более эстетичный вид, острые углы можно убрать с помощью ручного фрезера с установленной на него кромочной калевочной фрезой.
На одной части сварочных клещей необходимо вырезать небольшой клин. Благодаря ему клещи смогут подниматься выше.
- Вырежьте на задней стенке корпуса отверстия под выключатель и сетевой провод.
- Когда все детали будут готовы и отшлифованы, их можно покрасить черной краской или покрыть лаком.
От ненужной микроволновки потребуется отсоединить сетевой кабель и концевой выключатель. Также потребуется металлическая дверная ручка.
-
- Если у вас дома не завалялся выключатель и медный прут, а также медные зажимы, то данные детали необходимо приобрести.
От медной проволоки отрежьте 2 небольших прутка, которые будут выполнять роль электродов, и закрепите их в зажимах.
- Прикрутите выключатель к задней стенке корпуса аппарата.
Прикрутите к основанию заднюю стенку и 2 стойки, как показано на следующих фото.
- Закрепите на основании трансформатор.
- Далее, один сетевой провод подсоединяется к первичной обмотке трансформатора. Второй сетевой провод подсоединяется к первой клемме выключателя. Затем нужно прикрепить провод ко второй клемме выключателя и подсоединить его к другому выводу первички. Но на этом проводе следует сделать разрыв и установить в него прерыватель, снятый из микроволновки. Он будет выполнять роль кнопки включения сварки. Данные провода должны быть достаточной длины, чтобы ее хватило для размещения прерывателя на конце клещей.
- Закрепите на стойках и задней стенке крышку аппарата с установленной ручкой.
- Закрепите боковые стенки корпуса.
- Теперь можно устанавливать сварочные клещи. Сначала просверлите на их концах по отверстию, в которые будут вкручиваться шурупы.
- Далее, закрепите на конце выключатель.
Вставьте клещи в корпус, предварительно положив между ними для выравнивания квадратный брусок. Просверлите в клещах сквозь боковые стенки отверстия и вставьте в них длинные гвозди, которые будут служить в качестве осей.
На концах клещей закрепите медные электроды и выровняйте их так, чтобы концы стержней были друг напротив друга.
Чтобы верхний электрод поднимался автоматически, вкрутите 2 шурупа и закрепите на них резинку, как показано на следующих фото.
- Включите агрегат, соедините электроды и нажмите кнопку пуска. Вы должны увидеть электрический разряд между медными стержнями.
Для проверки работы агрегата можно взять металлические шайбы и сварить их.
В данном случае результат оказался положительным. Поэтому создание точечного сварочного аппарата можно считать оконченным.
Как проводится контактная сварка
Сварочные работы дома может потребоваться выполнять каждому во время ремонта. Инвертор может пригодиться для установки металлических деталей или же в мини-мастерской на дому.
Принцип работы инвертора такой:
- металл нагревается от электрического тока;
- затем он плавится и застывает после образования сварочного шва;
- чтобы закрепить части и защитить их от раздвигания, детали сжимаются электродами, по которым идет ток.
Для проведения домашних сварочных работ нужен мощный источник питания, а это может привести к перегреванию бытовых проводов. Заблаговременно проверьте качество своей проводки, при необходимости ее замените.
Во время точечной сварки нужно соединить две заготовки по прилегающим краям. Это потребуется при установке небольших деталей из тонкого материала, в частности, металлических прутов толщиной до 0,5 см.
Варианты соединений
При контактной сварке поверхности могут быть соединены такими способами:
- непрерывным оплавлением;
- прерывистым;
- сопротивлением.
Во время работы с помощью оплавления нужно детали или же листы металла соединить или же нагреть током вплоть до плавки. Данная технология актуальна для таких видов работ:
- обработка цветного металла или низкоуглеродистой стали;
- установка меди, стали или латуни.
Однако подобный метод не особо пользуется популярностью из-за того, что к температуре предъявлены жесткие требования, а также потому, что в соединительных зонах не должно быть примесей.
При непрерывной оплавке заготовок потребуются сварочные клещи и прочие фиксаторы. Соединение деталей происходит при включенном токе. Когда края деталей оплавятся, произойдет осадка, а токовая посадка выключится. Таким образом монтируют тонкостенные трубопроводы, однако можно и соединять заготовки, которые отличаются по структуре. Ключевое преимущество метода — это оперативность. Но есть риск, что по сварочному шву вытечет металл с появлением угара.
Прерывистая оплавка выполняется при последовательном плотном либо ослабленном контакте. Посредством зажимных клещей сварочную линию замыкают в области соединения заготовок, чтобы температура поднялась до 900−950 градусов. Данный метод используется в случае недостаточной исходной мощности прибора для непрерывной оплавки.
Контактная сварка решает следующие задачи:
- подготавливается поверхность для монтажа (контуры зачищаются и выравниваются);
- края заготовок соединяются и крепятся прижимными деталями;
- включает источник тока;
- края заготовок при работающем устройстве прогреваются и оплавляются;
- выполняется осадка и включается ток.
Эти виды сварочных процессов по технологии мало отличаются друг от друга, однако они отличаются токовой подачей и креплением деталей.
Чтобы сваривать детали точечным методом для бытовых нужд, устройство можно сделать самостоятельно. Ключевыми его механизмами являются:
- зажим;
- прибор подачи напряжения на конденсаторах. В нем на низковольтную обмотку прикрепляют электрод.
Второе зажимное крыло — это опорное, его можно монтировать с крупными деталями.
Устройство и схема инвертора
Знакомство с принципиальной схемой сварочного инвертора позволяет определиться с тем, как именно работает аппарат и какие узлы входят в его состав.
Имея чёткое представление о принципе работы импульсного преобразователя можно быть абсолютно уверенным в надёжности собранного своими руками устройства.
С одним из вариантов исполнения можно ознакомиться на приведённом рисунке.
Из этой схемы следует, что в самодельном импульсном устройстве присутствуют все необходимые для преобразования модули, включая два выпрямительных узла, сам инвертор с коммутирующими ключами и импульсный трансформатор с блоком управления.
Инвертор (импульсный блок питания для сварки)
Самодельный инверторный сварочный аппарат нельзя изготовить просто «на коленке». Для этого потребуется современная элементная база и опыт работы с ремонтом и созданием электронных устройств. Однако, не так страшна схема, как ее малюют. Подобных устройств сделано великое множество, и все они работают не хуже фабричных аналогов. К тому же, чтобы создать импульсный сварочный аппарат своими руками, не обязательно приобретать десятки дорогостоящих радиодеталей и готовых узлов. Большинство из них, особенно высокочастотные элементы для блока питания, можно позаимствовать у старых телевизоров или БП от компьютера. Стоимость близкая к нулю.
Рассматриваемый инвертор имеет следующие характеристики:
- Ток нагрузки на электродах: до 100 А.
- Потребляемая мощность от сети 220 вольт — не более 3.5 кВт (ток порядка 15 А).
- Используемые электроды до 2.5 мм.
На иллюстрации изображена готовая схема, которая неоднократно опробована многими домашними мастерами.
Конструктивно инвертор состоит из трех элементов:
Блок питания для схемы преобразователя и управления. Выполнен на доступной элементной базе, с применением оптрона от старого блока питания компьютера. При самостоятельном изготовлении трансформатора стоимость практически нулевая: детали копеечные. Номиналы и названия радиоэлементов на иллюстрации.
Блок задержки заряда конденсаторов (для стартовой дуги). Выполнен на базе транзисторов КТ972 (абсолютно не дефицит). Разумеется, транзисторы устанавливаются на радиаторы. Для коммутации достаточно обыкновенного автомобильного реле с токовой нагрузкой на контактах до 40 А. Для ручного управления установлены обычные защитные автоматы (пакетники) на 25 А. Выходные 300 вольт — холостой ход. При нагрузке напряжение 50 вольт.
Трансформатор тока — самый ответственный узел
При сборке особое внимание следует обратить на точность катушек индуктивности. Некоторую подстройку можно выполнить с помощью переменного резистора (на схеме выделен красным цветом)
Однако если параметры не буду согласованными, требуемой мощности дуги достичь не удастся.ШИМ реализуется на микросхеме US3845 (одна из немногих деталей, которую придется покупать). Силовые транзисторы — все те же КТ972 (973). Некоторые элементы на схеме импортные, однако их легко можно заменить на доступные отечественные, поискав аналоги на сайте datasheet.Высокочастотный блок выполнен из частей строчного трансформатора от телевизора.
На выход сварочного инвертора подключаются рабочие провода длиной не более 2 метров. Сечение не менее 10 квадратов. При работе с электродами до 2.5 мм, падение тока минимальное, шов получается гладкий и ровный. Дуга непрерывная, не хуже заводского аналога.
При наличии активного охлаждения (вентиляторы от того-же компьютерного блока питания), конструкцию можно компактно упаковать в небольшой корпус. Учитывая высокочастотные преобразователи, лучше использовать металл.
Чем сложнее самодельный сварочный аппарат, тем ощутимей экономия. Именно простые трансформаторы обходятся дороже, по причине использования дорогостоящей меди в обмотках или трансформаторного железа. Импульсные блоки питания, особенно при наличии в запасе старых деталей от типовых электроприборов, обходятся практически бесплатно.
