Схема простого сварочного полуавтомата
Сварочные полуавтоматы (СПА) находят все большее распространение в народном хозяйстве нашей страны. Их использование дает возможность многим мелким предприятиям эффективно сваривать металлические конструкции любой сложности. В этой статье рассмотрена конструкция наиболее простого сварочного полуавтомата, а также основные принципы работы и требования, предъявляемые к сварочным не нажатом положении). В других подающих механизмах двигатели имеют обмотку реверса движения.
В основном используют двигатели постоянного тока. В некоторых современных портативных СПА механизм подачи как бы вращается вокруг проволоки, тем самым, заставляя двигаться ее, благодаря нарезанию резьбы вокруг проволоки. Существуют подающие механизмы, находящиеся на рукаве у самого наконечника, они выполнены в виде цанги, которая является сердечником соленоидной катушки. При воздействии импульса цанга захватывает проволоку и оттягивает ее на небольшое расстояние, отпуская проволоку только в конце движения. При поступлении серии импульсов проволока потихоньку двигается.
В данной статье остановимся на самом простом варианте. Для любого простого СПА необходим в первую очередь сварочный трансформатор. Так как СПА обязан проваривать металл толщиной до 3 мм, то с учетом [1, 2] его мощность должна быть 1,8-3 кВт при напряжении холостого хода 40-60 В и крутопадающей характеристике (можно с низким КПД, т.е. собранном в любительских условиях). Для соблюдения мер безопасности в холостом режиме СПА не должен выдавать напряжение на наконечник рукава. Логика управления должна соответствовать диаграмме на рис.3, где имк - напряжение включения СПА, снимаемое с микровыключателя; идв -напряжение, подаваемое на двигатель; ирев - напряжение, подаваемое на реверсивную обмотку двигателя; Ucna -напряжение, подаваемое на рукав и на отсекатель газа.
Схема на рис.4 является наиболее распространенной, хотя имеет ряд недостатков. В некоторые СПА устанавливают трансформаторы с многовыводной первичной обмоткой. Это делается для возможности регулировки тока. Но, как показали многолетние испытания, регулировка таким способом отрицательно сказывается на качестве свариваемого шва. Поэтому автор использовал сварочный реостат R2 (рис.4), который также применяется при сварке электродами.
Изменение тока сварки с помощью реостата является наиболее простым и очень эффективным средством при регулировке сварочной дуги с разной толщиной металла. Автору удавалось сваривать изделия для швейной промышленности (оверлоков), имеющие размеры 5x5 мм с толщиной 0,5 мм, а также пруты для оконных решеток толщиной 1 см, и при этом никаких конструктивных изменений в СПА не вводилось.
При нажатии SA1 (рис.4) вольтметр РА1 показывает напряжение Х.Х., на наконечнике рукава напряжение отсутствует. При нажатии SA2 включается подача проволоки, контакты SA2.2 замыкаются, а SA2.1 размыкаются. Срабатывает реле К1, замыкаются контакты К1.1 - К1.3. Включается отсекатель тока КЗ, отсекатель газа К4, а К1.3 замыкает цепь питания двигателя М.
В данной схеме рассматривается двигатель с реверсивной обмоткой. Для двигателя подачи с электротормозом схема включения показана на рис.5 (где 1 - двигатель; 2 - электротормоз). Через К1.2 заряжается С11. По окончании режима сварки (SA2 не нажата) цепь питания К1 разрывается, а к К2 через замкнутые контакты SA2.1 от С11 подводится напряжение питания. В результате K2.1 и К2.2 замыкаются. Включается обмотка реверса двигателя М. А так как отсекатель тока КЗ и отсекатель газа К4 остаются включены, благодаря контактам К2.1, то на наконечнике рукава присутствует напряжение питания и подается углекислота.
Это необходимо для того, чтобы подающая проволока отгорела в месте окончания сварки без ухудшения качества свариваемого шва. Одновременно реверсивный режим работы двигателя демпфирует инерционность редуктора и якоря двигателя. По окончании разряда конденсатора С11 реле К2 отключается и СПА переходит в начальное положение.
Элементы.
Подающий механизм взят от сварочного полуавтомата типа А547УмПДГ-309. Реле K1, K2 типа ТКЕ-54ПД1 или аналогичные с максимальным током на контактах до 2 А. Реле КЗ КМ200Д-В, реле К4 - отсекатель газа (идет в комплекте с подающим). Трансформатор TV1 любой сварочный с габаритной мощностью 3 кВт. Выключатель SA1 - пакетный на 380 В, 15 А или два спаренных типа ВДС 6320-75 на 15 А. Предохранитель РА1 на 15 А. Силовой дроссель L1: сердечник из низкочастотного железа от трансформатора на габаритную мощность 1,5-3 кВт. Обмотка имеет 40-80 витков сечением 20 мм . Автор использовал стандартный дроссель от сварочного полуавтомата типа А547УмПДГ-309. L2 - ДФ2 или любой другой на ток 2 А. В зазор установлена полоска из текстолита толщиной 7 мм (рис.6). Диоды VD1-VD4 типа ВЛ-200-90 или другие низкочастотные с током пропускания не менее 100 А. Радиатор стандартный 7x8x10 см. VD9 - Д816Д на радиаторе с площадью рассеивания 100 см , VD5-VD8 - Д226 с любым буквенным индексом; C1,
C2 - 0,1 на 400 В, любые металлобумажные; СЗ-С8 -10000 на100 В типа К50-32, можно К50-18,К50-19; С9-С11 - 100 на 100 В К50-27, можно другие; R1 - шунт типа 75ШС ММЗ-500; R2 - реостат сварочный, можно от регулятора аргонно-дуговой сварки; R3 - 20 Ом ПЭВ-5-77; R4 - 47 Ом, реостат переменный 22 Вт; R5- 12 Ом ПЗ-75; R6- 100 Ом ПЗ-75; РА1 - вольтметр с пределом шкалы 75-100 В типа М43300, М43100; РА2 - амперметр с пределом шкалы 300500 А типа М43300, М43100.
Провода, указанные на схеме утолщенной линией, должны иметь площадь сечения не менее 20 мм.
Конструкция. На рис. 7 (а - вид сбоку; б - вид сверху) показана конструкция сварочного полуавтомата в сборе: 1 - трансформатор; 2 - диодный мост; 3 - дроссель L1; 4 - реостат R2; 5 - баллон углекислоты; 6 - "масса"; 7 -редуктор; 8 - подающий механизм; 9 - рукав; 10 - предохранитель; 11 - пакетный выключатель SA1; 12 -вольтметр, амперметр РА1 и РА2; 13 - регулятор скорости подачи R4.
Наладка СПА. От качества настройки СПА сильно зависит удобство пользования аппаратом, поэтому необходимо как можно внимательней отнестись к следующим рекомендациям. В данном простейшем варианте СПА "узким местом" является настройка подачи проволоки и настройка качества шва.
Настройка подачи проволоки
Подающий механизм следует включить без затяжки проволоки в рукав и без подсоединения углекислоты. Если углекислота подключена тумблером SA3 (он необходим для отключения отсекателя газа при затяжке проволоки в целях экономии С02), отключить отсекатель газа. При нажатии SA2 должны сработать отсекатель тока, отсекатель газа (при включенном SA3) и двигатель подающего механизма М. Через 5 с отпустить SA2 , при этом двигатель должен включиться в обратном направлении.
Заправить проволоку от барабана 1 через подающий механизм в рукав и затянуть ролик подачи, чтобы проволока 5 прижималась роликом 3 к подшипнику 4 и входила в рукав 2 (рис.8).
Включить SA2 на 20 с, после чего выключить. Механика очень инерционна, поэтому проволока сначала движется медленно, а со временем ускоряется. При отпускании SA2 ток в двигателе через реверсивную обмотку должен быть достаточен для полного торможения проволоки. Ток регулируют подстроечным реостатом R5. Для торможения проволоки необходимо время.
Обмотка реверса включена в цепь питания на время, определяемое временем разряда С11 через К2 и R6. Для нормального торможения проволоки, чтобы проволоку не затягивало обратно в рукав или не выводило дольше наконечника более чем на 1 см, необходимо очень точно и терпеливо отрегулировать R5 и R6, режим торможения зависит на 20% также от реостата R2. К сожалению, описать все подробности регулировки не позволяет объем статьи и, кроме того, невозможно учесть все нюансы разных серий подающих механизмов. Процесс сварки чаще всего будет прерывистым, т.е. с интервалом включения подачи проволоки примерно в 0,5-1 с. Настройка качества шва для проволоки диаметром 0,8-1 мм
Отрегулировать в процессе сварки подачу углекислоты в пределах 0,5-1 атм по манометру на редукторе. Установить в среднее положение реостат R2.
На чистом листе металла 0,7-0,8 мм при подсоединенной массе включить режим подачи проволоки. Если лист металла будет прожигаться, уменьшить подачу проволоки реостатом R4. При дальнейшем прожигании листа увеличить сопротивление реостата R2. Если проволока не расплавляется, а краснеет и ложится на лист небольшими кучками, увеличить реостатом R4 подачу проволоки или уменьшить сопротивление реостата R2.
Эти все процессы необходимо наблюдать через маску для электросварки. Как только шов будет ложиться нормально на лист металла, необходимо отрегулировать зазор в дросселе. Для этого измеряют вольтметром переменную составляющую в режиме сварки непосредственно между плюсом на рукаве и "массой". Регулируя зазор в дросселе, а также количество витков, добиваются переменной составляющей напряжения в пределах 1,2-3 В.
Надо учитывать слишком большую индуктивность дросселя. При этом ток, необходимый для нормальной сварки, будет нарастать через определенный промежуток времени, а в начальный момент подаваемая проволока не будет даже расправляться. В этом случае необходимо уменьшить количество витков на дросселе.
Для безопасности автор рекомендует все операции настройки проводить в резиновых перчатках на резиновом коврике в сухом помещении. Все детали, находящиеся под напряжением, следует изолировать. Для сварщика лучше использовать специальный сварочный костюм, так как при работе образуется большое количество окалины (брызг раскаленного металла).
Литература:
1. Пронский И.Н. Секреты сварочного трансформатора//Радюаматор.- 1998.-№1 .-С..21-22
2. Пронский И.Н. Секреты сварочного трансформатора//Радюаматор.- 1998.-№3.- С.43-45.К
Ответы на вопросы тех, кто хочет самостоятельно изготовить сварочный агрегат
1. Почему именно крутопадающая характеристика?
Большинство радиолюбителей при сборке СПА пользуются самодельными сварочными трансформаторами. Трансформаторы ручной сборки (не профессиональной) имеют низкий КПД и вследствие этого крутопадающую характеристику (рис.1, кривая А) [1]. Это выгодно сказывается при конструировании СПА, так как основная масса сварщиков имеет невысокие профессиональные навыки, а именно, умение правильно держать "рукав" (под правильным углом по отношению к свариваемой конструкции), правильно зажигать дугу и поддерживать ее горение. Как видим из рис.1, дуга имеет разные характеристики при различной ее длине 11, 12 где 11 и 12 ~ расстояние между электродами. При этом изменение тока незначительное, что выгодно влияет на фильтрацию переменной составляющей, а также на однородность свариваемого шва.
2. Как собрать трансформатор для СПА?
Этот вопрос является наиболее трудным, так как количество витков в трансформаторе напрямую зависит от свойств магнитного железа, применяемого в сердечнике трансформатора.
При расчете сварочного трансформатора в первую очередь необходимо учитывать габаритную мощность трансформатора, которая для нормального провара металла глубиной до 4 мм составляет примерно 3 кВт. Рассмотрим подробнее устройство трансформаторов [2].
Трансформатор состоит из следующих частей: сердечника, обмоток, каркаса и деталей, стягивающих сердечник. Сердечник трансформатора является магнитопроводом, который изготовляют из стальных листов толщиной 0,35...0,5 мм [3]. В настоящее время применяют два вида специальной электротехнической стали: горячекатаную с высоким содержанием кремния и холоднокатаную. Последняя имеет лучшие магнитные характеристики в направлении прокатки.
Стальные листы изолированы друг от друга бумажной, лаковой изоляцией (толщиной 0,04-0,6 мм) или окалиной, что позволяет уменьшить потери мощности в магнитопроводе за счет того, что вихревые токи замыкаются в плоскости поперечного сечения отдельного листа (рис.2). Чем меньше толщина листа, тем меньше сечение проводника, по которому протекает вихревой ток 1 В, и тем больше его сопротивление.
В результате вихревой ток и потери мощности на нагрев магнитопровода уменьшаются (по этой причине автор не советует использовать сердечники от электродвигателей).
По типу или конфигурации магнитопровода трансформаторы подразделяют на стержневые и броневые.
В стержневых трансформаторах обмотки, насаженные на стержень магнитопровода, охватывают его (рис.3,а) В броневых трансформаторах магнитопровод частично охватывает обмотки и как бы "бронирует" их (рис.3,6). Горизонтальные части магнитопровода, не охваченные обмотками, называются нижним и верхним ярмом. Трансформаторы большой и средней мощностей обычно изготовляют стержневыми, так как они проще по конструкции, имеют лучшие условия для охлаждения обмоток, что особенно важно в мощных трансформаторах, имеющих большие габариты. Магнитопровод таких трансформаторов набирают из отдельных пластин прямоугольной формы (рис.4,а, автор применил именно такую сборку трансформатора).
Для уменьшения магнитного сопротивления их набирают так, чтобы стыки пластин в двух соседних слоях были в разных местах. Аналогично выполняют магнитопроводы с двумя стержнями. Магнитопроводы броневого типа применяют для сухих трансформаторов средней мощности и используют в электросварке. Наружные броневые стержни этого магнитопровода частично защищают обмотки трансформатора от механических повреждений.
Трансформаторы малой мощности могут иметь магнитопровод, собранный из пластин, выполненных в форме буквы "Ш", и прямоугольных полос (рис.4,6) Магнитопроводы стержневых и броневых трансформаторов малой мощности можно навивать из узкой ленты электротехнической стали (рис.5). Это позволяет уменьшить воздушные зазоры в магнитопроводе и снизить магнитное сопротивление, а следовательно, и ток холостого хода. В большинстве случаев ленточные магнитопроводы разрезают, чтобы на них легче посадить заранее намотанные обмотки. Затем половинки магнитопроводов соединяют. Из ленточных магнитопроводов чаще всего для электросварки применяют кольцевые тороидальные (рис.5,в). КПД таких тороидальных трансформаторов очень высок. Поэтому количество наматываемых витков на сердечник меньше, чем в стержневых и броневых трансформаторах.
При изготовлении трансформаторов используют каркасы для намотки обмоток (рис.6). Как правило, их изготовляют из листовых электроизоляционных материалов (гетинакс или электроизоляционный картон). Размеры каркаса зависят от размера сердечника. У тороидальных трансформаторов каркас отсутствует, сердечник обматывают специальной лакотканью (стеклоткань или искусственная высоковольтная электротехническая ткань, пропитанная электротехническим лаком). Сердечник обматывают в два-три слоя тканью в натяжку и фиксируют нитками или пропитывают лаком. После высыхания лака наматывают обмотку.
Для изготовления обмоток трансформаторов и дросселей применяют круглые медные провода с эмалевой изоляцией (в первичной обмотке можно использовать указанные провода, при этом провода укладывают как можно ближе друг к другу, одновременно провод изолируют лакотканью (можно стеклотканью с пропиткой лаком), в случае намотки первичной обмотки двумя проводами каждый провод изолируют отдельно). Начало намотки фиксируют ниткой (рис.7). При этом провод должен выходить сбоку трансформатора, а не внутри его. Вторичную обмотку (силовую) наматывают прямоугольным проводом (изоляция провода аналогична рассмотренной выше).
Рассмотрим наиболее простой метод расчета сварочного трансформатора. Начальные данные: Ргаб=3 кВт; Uxx=45 В при Ih=0; Uh=30 В при 1н=100 А; исети=220 В; Рсети=50 Гц; допустимый КПД=0,85.
Автор использовал табличные данные из разных источников, поэтому они приближенные.
Воспользуемся методикой, предложенной в [4]. Имеем формулу
Как видим, полученное значение Км меньше табличного (табл.2). В этом случае полезно на 10% увеличить диаметр провода первичной обмотки, поскольку она расположена внутри и хуже охлаждается. В большинстве случаев конструирования сварочных трансформаторов число витков на 1 В достигает 0,7. Прежде чем наматывать вторичную обмотку, желательно собрать трансформатор и проверить ток холостого хода по методике, рассмотренной в [2].
Остановимся немного на технологии сборки трансформатора. Каркас изготовляем с внутренним окном (рис.6,б) не 10-20% больше размеров сечения сердечника. После сборки трансформатора в оставшиеся промежутки между каркасом и сердечником забиваем расклинивающие деревянные клинья для снижения уровня шума. При намотке на каркас обмотки (особенно вторичной) в окно каркаса вставляем деревянный брусок, а обмотку прибиваем к каркасу деревянным молотком (лучше через текстолитовую пластину, чтобы не повредить изоляцию проводов). Обмотки изолируем друг от друга специальным изоляционным материалом (табл.4)
Диэлектрическая проницаемость Епр не должна быть менее (в межобмоточной изоляции) 10 кВ/мм. Как правило, первичную обмотку наматываем первой, а вторичную -сверху первичной, изоляция между обмотками должна быть двойной. Если необходимого провода нет, то обмотку можно наматывая двойным проводом (одновременно), причем суммарная площадь сечения проводов должна быть на 10-20% больше расчетной.
Сердечник трансформатора стягиваем шпильками через отверстия (рис.4), при этом саму шпильку изолируем от сердечника электроизоляционной бумагой (табл.4). Для стяжки сердечника используем также бандаж или брусья (стальная лента шириной 40 мм, толщиной 1-3 мм) из маломагнитной стали. Как правило, верхнюю ярмовую балку стягиваем с обеих сторон пластинами, а нижнюю - уголками, которые играют роль шасси. От активной стали магнитопровода эти пластины изолируем с помощью полосы электротехнического картона толщиной 23 мм. Активную сталь магнитопровода и ярмовых балок заземляем в одной точке с помощью медной луженой ленты.
Автор: И.Н. Пронский, г. Киев
Литература:
1. Пронский И.Н. Секреты сварочного трансформатора //Радюаматор. - 1998.- №1.
2. Зызюк А.Г. О трансформаторах //Радюаматор.- 1998.- №2.
3. Иванов И.И., Равдоник B.C. Электротехника - М.: Высш. шк., 1984.
4.Мезель К.Б. Трансформаторы электропитания - М.: Энергоиздат, 1982.