Что властно над металлом? Сварочное оборудование: ликбез. Источники сварочного тока, основные параметры сварочного аппарата, виды сварки, защита сварщика

Сварка как способ неразъемного соединения металлов вошла в нашу жизнь немногим более ста лет назад, однако переоценить ее значение сегодня невозможно. С помощью сварки выполняется значительное количество разнообразных работ в различных областях, от микроэлектроники до изготовления многотонных конструкций. Поскольку металлы и сплавы могут иметь различную форму, размер и химический состав, разработано множество соответствующих технологий, инструментов и приспособлений. Но основным методом давно и заслуженно считается электрическая сварка (а иногда и резка) металлов, в первую очередь низколегированных сталей. Среди достоинств электросварки — быстрое и надежное соединение материалов с минимальными затратами. Однако при необходимости с помощью сварочного аппарата можно и разрезать металл, причем даже в труднодоступных местах, куда другой инструмент просто не подлезет. В последние десятилетия сварочные аппараты изготавливают с применением электронных компонентов, что значительно уменьшило их массу и габариты и позволило еще более расширить их применение в быту.

ИСТОЧНИКИ СВАРОЧНОГО ТОКА
Это основная деталь любого сварочного аппарата, преобразующая напряжение сети в постоянный или переменный ток с заданными параметрами.

Сварочные трансформаторы. Традиционный и в то же время конструктивно самый простой источник сварочного тока. Основным его узлом является собственно трансформатор, понижающий сетевое напряжение до сварочного. Регулируют силу тока различными методами, самый распространенный из которых — изменение расстояния между первичной и вторичной обмотками. Все трансформаторы имеют одну общую особенность — выдают на выходе переменный ток. Чтобы варить с помощью «транса» цветные металлы или улучшить стабильность горения дуги, необходимо вводить в конструкцию дополнительные тяжелые и громоздкие элементы, да и сам трансформатор весит прилично. При этом для выполнения ответственных работ требуются специальные электроды для переменного тока.

КПД трансформатора довольно высок (до 90 %), но часть энергии уходит на нагрев. Для охлаждения в современных моделях применяют вентиляторы также значительной мощности: ведь охладить надо устройство в несколько десятков, а то и сотен килограммов весом. В настоящее время этот вид источников сварочного тока применяется нечасто, но у трансформаторов, помимо КПД, есть еще два важных достоинства: невысокая цена и «неубиваемость», из-за которых они до сих пор пользуются спросом.

Сварочные выпрямители. Выпрямителями называют аппараты, преобразующие переменный ток в постоянный. Они состоят из понижающего трансформатора, выпрямительного (диодного) блока, а также устройств регулировки, пуска и защиты. Такая конструкция, хотя и сложнее трансформатора, но обеспечивает гораздо более стабильные выходные характеристики сварочного тока и электрической дуги. Качество шва в конечном счете тоже гораздо выше. Цена выпрямителей не сильно отличается от цены трансформаторов, надежность также на высоте: ломаться в них практически нечему.

Основные недостатки такие же, как у трансформатора — высокий вес, сложность работы, сильная «просадка» напряжения в сети в процессе сварки.

При работе на постоянном токе возможны два варианта подключения электрода и детали. Кстати, провод, подсоединенный к детали, правильнее называть не массовым, а обратным, ведь он может подключаться и к «плюсу» аппарата. При прямой полярности деталь подсоединяется к зажиму «+», а электрод — к зажиму «-», при обратной полярности — наоборот. Электроды выпускаются нескольких видов: для прямой, обратной полярности и универсальные. На положительном полюсе выделяется больше тепла, чем на отрицательном. Исходя из этого обратную полярность при работе с электродами применяют при сварке тонколистового металла, чтобы не прожечь его, и при сварке высоколегированных сталей во избежание их перегрева, а при прямой полярности лучше варить массивные детали.

Инверторы. Это наиболее современный вид приборов для сварки. В отличие от обычных сварочных аппаратов, у которых силовой трансформатор работает на частоте сетевого напряжения 50 Гц, сварочный инвертор использует ток высокой частоты (несколько десятков килогерц). При этом для передачи необходимой энергии требуется трансформатор гораздо меньших размеров и массы, а сварка проходит при постоянном токе хорошего качества, что сказывается и на качестве шва. Обычный сварочный трансформатор на 160 А весит не менее 18 кг, а силовой трансформатор сварочного инвертора на 160 А весит не более 300 граммов и по размерам сравним с пачкой сигарет, при этом вес всего инвертора, с корпусом и всей электроникой, составляет 3–7 кг. Инвертор состоит из выпрямителя, сетевого фильтра, преобразователя в переменное напряжение высокой частоты, сварочного трансформатора, еще одного выпрямителя и управляющей схемы. Сварочный инвертор имеет значительно более широкий, чем у обычного аппарата, диапазон регулировки сварочного тока, что особенно важно при сварке тонкими электродами. Еще один «плюс» — у инверторов, как правило, эта регулировка гораздо точнее и выходные параметры намного стабильнее, что сильно упрощает подбор оптимального режима работы.

Все инверторные аппараты производятся по одной из двух технологий — MOSFET или IGBT.

Технология MOSFET была разработана примерно полвека назад, IGBT — более современная и экономичная — имеет множество преимуществ по сравнению с MOSFET. В Европе, где нормативы по энергопотреблению ужесточаются с каждым годом, найти в продаже MOSFET-инверторы уже невозможно. У нас они пока встречаются довольно часто. Инверторы MOSFET хорошо отработаны, стоят обычно дешевле и, невзирая на больший вес и габариты, все еще достаточно популярны, особенно для выполнения простых работ по сварке черных металлов. Производство компонентов MOSFET обходится дешевле, но и требуется их больше: в инверторе на 200 А можно встретить до 24 одинаковых силовых транзисторов MOSFET и в разы меньшее количество транзисторов IGBT (обычно около десятка). Инверторные аппараты IGBT способны работать при значительно большей частоте (60–85 кГц), чем MOSFET, что еще более снижает вес аппарата. Температура срабатывания термозащиты у IGBT-транзисторов составляет порядка 90 °С против 60 °С у MOSFET, это напрямую влияет на продолжительность непрерывной работы инвертора. Что касается ремонтопригодности, тут мнения «сервисменов» кардинально различаются. Некоторые считают, что компактный и имеющий меньшее количество деталей и силовых транзисторовинвертор чинить проще, другие — что более ремонтопригоден аппарат, выполненный по технологии MOSFET, с более крупными деталями и свободной компоновкой.

К тому же производители выпускают различные IGBT-аппараты, порой со сложной компоновкой и трудным доступом к отдельным деталям. В любом случае, если придерживаться мнения «чем меньше деталей — тем меньше вероятность поломки», следует обратить внимание на инверторы IGBT, к тому же за счет отличных параметров сварочного тока они лучше варят не только черные металлы, но и чугун, и нержавейку.

За счет использования в инверторах электронной системы управления с помощью обратных связей, можно получить выходные характеристики, подходящие для любого способа сварки. Наиболее важны функции Hot Start, Arc Force и Anti-Stick. В начале работы электроника обеспечивает дополнительный импульс тока, что облегчает поджиг дуги (функция Hot Start). Если электрод слишком быстро приближается к детали, функция Arc Force увеличивает сварочный ток, препятствуя залипанию. При залипании ток снижается или отключается, исключая возможность «приморозить» электрод (функция Anti-Stick).

В той или иной мере эти функции присутствуют во всех инверторах,в более дорогих моделях есть возможность их регулировки (например, Hot Start при сварке тонких листов металла не нужен, проще его уменьшить или вовсе отключить).

Недостатки у инверторов тоже есть, но таковыми их назвать можно с большой натяжкой. Следует различать использование инвертора в быту или на производстве.

Основной враг электронных схем — влага и пыль, особенно металлическая. Поэтому не рекомендуется включать его в запыленных помещениях и особенно работать «болгаркой» рядом с включенным инвертором.

Разумеется, при дожде работы следует прекращать, это запрещено правилами техники безопасности, и не только потому, что вредно для аппарата. Профессиональные модели лучше защищены от пыли и влаги, но и стоят соответственно. В любом случае время от времени аппарат нужно открывать и тщательно продувать сжатым воздухом.

Электроника чувствительна к качеству тока, поэтому в схему инверторов включают различные элементы защиты: датчики перегрева, предохранители, иногда — устройства отключения при падении напряжения ниже допустимого уровня, впрочем, практически все аппараты могут работать при напряжении от 170 до 250 В. Для защиты от резкого скачка напряжения (выше 270 В) многие производители устанавливают варисторы («таблетки»), раскалывающиеся при резком повышении напряжения. После этого поврежденный варистор следует заменить, этот ремонт прост и недорог. Если планируется автономная работа от электрогенератора, необходимо подбирать аппарат со встроенным компенсатором перепадов напряжения питающей сети. О его наличии производители предупреждают отдельно, без него инвертор может быстро выйти из строя.

Аппарат не следует хранить зимой в неотапливаемом помещении — электроника требует бережного отношения.

Есть и еще один «недостаток»: работать на трансформаторе или выпрямителе гораздо сложнее, чем на инверторе, зато научившийся работать на «трансе» без проблем перейдет на инвертор, а вот обратный переход гораздо сложнее — придется доучиваться.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СВАРОЧНОГО АППАРАТА
Очень важным параметром при работе сварочного аппарата, независимо от его устройства, является продолжительность включения (ПВ) при различных значениях сварочного тока. Тут у разных производителей разные методики измерений. В европейском стандарте EN 60974-1 принимается во внимание продолжительность сварки при температуре 40 °C до первой остановки аппарата от перегрева, и ПВ высчитывается исходя из отношения этого времени к 10-минутному рабочему циклу. При более приближенных к реальности условиях по методике итальянской компании Telwin (t = 20 °C, работа с перерывами) учитывается в первую очередь количество электродов, которые можно использовать за этот период времени. Разумеется, ПВ, рассчитанный по второй методике, заметно выше и при выборе аппарата надо уточнить, как именно его считали. Впрочем, в процессе работы редко приходится жечь подряд несколько электродов на полной мощности без перерыва, и аппарат с заявленным «европейским» ПВ в 10–20 % будет работать до отключения столько же, сколько с 60–80 %-ным ПВ, рассчитанным по «телвиновской» методике.

Важным параметром и первым, на что обычно обращают внимание, считается диапазон изменения сварочного тока. Он косвенно указывает на мощность аппарата. Чем она больше, тем большего размера электрод можно установить и тем больше будет ПВ при работе небольшими электродами при равной силе тока. Для бытовых целей и работы ходовым 3-миллиметровым электродом всем видам трансформаторов с лихвой хватает максимальной мощности в 150 А, для инверторов — и того меньше, при этом токе они спокойно варят «четверкой». Следует учитывать, что на коробке с электродами обычно указывают рекомендуемые токи при работе с трансформаторами или выпрямителями, инвертор при таких токах уже может резать металл.

Еще один важный параметр — ток холостого хода. Он может находиться в пределах 60–85 В: чем выше, тем проще зажечь дугу.

Некоторые модели сварочных аппаратов способны функционировать совместно с устройствами для сварки аргоном, выпускаются также модели, работающие в полуавтоматическом режиме (сварка проволокой). Для бытового применения они не очень интересны — подобные опции требуются редко, а стоимость их гораздо выше, чем у простых моделей. Но если планируется работа на профессиональном уровне с различными видами металлов и тонкими листами, эти функции будут весьма полезны.

ВИДЫ СВАРКИ
Ручная дуговая сварка плавящимся электродом (ММА). Это наиболее популярный вид сварки, при котором роль электрода играет проволока, покрытая обмазкой.

В процессе плавления проволока соединяет свариваемые детали, а обмазка (шлак) защищает сварочную ванну от воздействия кислорода, также способствуя улучшению характеристик дуги и качества шва. Чаще всего таким образом сваривают черные металлы, чугун и некоторые виды цветных металлов и сплавов, однако добиться хорошего соединения в последнем случае довольно трудно: легкоплавкие компоненты сплавов выгорают, и соединение получается не слишком качественным.

Ручная сварка в среде защитных газов (TIG). Наиболее часто в качестве газа применяют аргон с небольшой примесью кислорода, чтобы выжечь грязь и окислы в процессе работы, а сварка проводится неплавящимся графитовым или вольфрамовым электродом. В качестве присадки используют прутки из того же материала, что и свариваемые детали. Качество шва при таком методе очень высокое, легкоплавкие компоненты сплавов и легирующие добавки не выгорают, сварочная ванна защищена от кислорода воздуха, образование шлака практически исключено. Сваривание почти всегда производится на постоянном токе прямой полярности, только для алюминия более подходит переменный ток или обратная полярность: так лучше разрушается оксидная пленка. Несмотря на то что такой способ довольно дорог и не отличается высокой скоростью работы, он достаточно популярен и порой незаменим для сварки любых металлов в случае малых объемов работ либо если автоматизировать процесс по разным причинам не удается.

Полуавтоматическая сварка. При ней в роли электрода обычно выступает сварочная проволока, автоматически подающаяся в зону сварки, хотя возможна и сварка неплавящимся электродом. Аппарат при этом перемещают вручную. Сварка производится постоянным или импульсным током, различают сварку в среде инертных (MIG) или активных (MAG) защитных газов и сварку порошковой проволокой — тогда газ не требуется. Для крупных объемов наплавляемого металла целесообразнее ММА-сварка. Сфера работы полуавтоматов — сварка тонких листов, высоколегированных сталей, цветных металлов, а также промышленное применение.

ДРУГИЕ МЕТОДЫ И СПОСОБЫ СВАРКИ
Помимо трех перечисленных основных методов сварки, используются и другие, особенно в промышленном производстве. Кратко опишем некоторые из них.

Газовая сварка. В качестве источника энергии применяется смесь кислорода с горючими газами, чаще всего — с ацетиленом. В быту к ней прибегают нечасто: она требует применения тяжелых и недешевых газовых баллонов, качество сопрягаемых поверхностей получается не слишком хорошим, возможно быстрое появление коррозии в зоне шва, так как металл прогревается на значительном расстоянии от него, скорость работы невелика, зато электричество не требуется вообще. Разновидностью газовой сварки, хотя и основанной на совершенно ином принципе действия, является плазменная сварка. Источником теплоты здесь служит плазменная струя, получаемая при ионизации рабочего газа между электродами, одним из которых может быть свариваемое изделие, либо оба электрода находятся в плазменной горелке — плазмотроне. Оба эти способа в промышленном производстве применяются чаще для наплавки и резки, чем для собственно сварки.

Контактная сварка. При ней соединенные заготовки или их соприкасающиеся участки прижимаются друг к другу, разогреваются электричеством до состояния пластического деформирования, а затем дополнительно сжимаются. Среди большого количества разновидностей контактной сварки можно выделить точечную, стыковую, рельефную и шовную.

При точечной сварке свариваемые детали соединяются внахлест, зажимаются между двумя электродами, затем включается импульс тока небольшого напряжения (несколько вольт) и значительной силы, до нескольких тысяч ампер. Таким образом, между деталями образуется сварная точка или сразу две, если электроды подводятся с одной стороны, а с другой подложена токопроводящая подкладка. Контактная сварка требует хорошей подготовки поверхностей, пригодна для многих металлов и сплавов, особенно популярна для сварки тонких листов. Коробление листов при этом невелико, качество (при должных параметрах сварки) также на высоте. Именно так, например, собирают автомобильные кузова на заводе. Метод хорошо поддается автоматизации, но может использоваться и в ручном режиме.

При шовной сварке шов состоит из большого числа отдельных точек, которые могут перекрывать друг друга. Если на поверхности деталей заранее подготовлены бугорки (рельефы) — речь идет о рельефной сварке. Стыковая сварка чаще применяется для соединения толстых деталей, при этом они свариваются сразу по всей плоскости.

Сварка трением. Одна из деталей фиксируется, вторую прижимают к ней и вращают до момента расплавления контактирующих поверхностей. Способ довольно экономичный и быстрый, но возможность его использования зависит от формы свариваемых деталей. Зато таким образом можно соединить заготовки из разнородных материалов, вроде меди с алюминием.

В промышленных условиях для отдельных видов сварных работ применяются и другие методы, такие как холодная сварка (при относительно невысокой температуре и высоком давлении), сварка взрывом, диффузией, сварка с помощью лазера, электронно-лучевой пушки, ультразвука, токов высокой частоты и некоторые иные виды. Такими способами сваривают различные, порой практически несовместимые, металлы и материалы.

ЗАЩИТА СВАРЩИКА
Сварочный процесс сопровождается большим количеством опасных и вредных факторов: высокой температурой раскаленного металла и шлака, ярким свечением дуги в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, выделением токсичных газов и аэрозолей. При работе с электрическими аппаратами несоблюдение правил техники безопасности чревато риском поражения электрическим током. Поэтому необходимо позаботиться о приобретении маски и защитной одежды.

Сварочная маска или щиток. Это самый необходимый элемент, предназначенный для защиты глаз и лица. Изготавливается чаще всего из пластика или электрокартона (фибры). Щиток приходится держать одной рукой, маска крепится на голову. В конструкцию фильтра согласно ГОСТу должны входить защитное стекло и подложка из оргстекла. В качестве фильтра применяется либо затемненное стекло, либо фильтр «хамелеон», автоматически затемняющийся при возникновении дуги. «Хамелеон» гораздо удобнее, но и стоит дороже. В зависимости от условий сварки применяются стекла различной степени затемненности, в «хамелеоне» она почти всегда регулируется. Для сложных условий работ изготавливаются маски с фильтрами для дыхания или системой подачи воздуха снаружи, а также с возможностью крепления каски и наушников.

Одежда и другие средства защиты. Одежда и перчатки должны быть изготовлены из слабогорючих и нетлеющих тканей вроде брезента, прорезиненных материалов или кожи. Обувь тоже желательна «погрубее», ведь кроме искр и капель металла, на ногу можно случайно уронить железку. Наиболее практичны для этой цели ботинки из толстой кожи или резиновые сапоги. Вся одежда при работе должна быть застегнута и пригнана с таким расчетом, чтобы исключить попадание капель расплавленного металла в ее складки и защитить все участки кожи от вредного воздействия сварочной дуги. Для обеспечения электробезопасности используются коврики из резины или подобных диэлектрических материалов.

Не нужно забывать также и о других средствах защиты — исправность оборудования, наличие заземления, надежная фиксация сварочных проводов в аппарате и целостность их изоляции, надежный электрический контакт обратного провода на детали и т.п. Наконец, не стоит упускать из виду и надежное закрепление свариваемых деталей. Если правильно организовать рабочее место и работать, сообразуясь со своими возможностями и без спешки, тогда и работа, и результат будут только радовать.

Автор: Максим ГРИБОЕДОВ

ГДЕ КУПИТЬ

Интернет-магазин www.dreli.org: ассортимент сварочных инверторов смотрите по ссылке www.dreli.org/shop-cat-161.html