Многие конструкции в быту (в гараже, на даче, дома и т.д.) тяжело построить без внедрения сварки, в особенности электродуговой. В текущее время на прилавках магазинов появилось огромное количество электросварочных аппаратов как ввезенного, так и русского про­изводства. Отличные аппараты стоят доро­го, а более дешевенькие не всегда обеспечи­вают качество сварочных работ. В предлагаемой статье хотелось бы поделиться некоторыми соображениями в главном практического характера по конструированию любительских свароч­ных аппаратов (С.А.) на базе анализа ранее опублико­ванных материалов. Это поможет не толь­ко в самостоятельном изготовлении любительского  С.А., да и при выборе и по­купке уже готовых сварочных аппаратов.

Сварочные аппараты бывают постоян­ного и переменного тока. С.А. постоянного тока применяются при сварке на малых токах тонколисто­вого металла (кровельная сталь, автомо­бильная и т.д.). Сварочная дуга на посто­янном токе более устойчива, вероятна сварка на прямой и оборотной полярнос­ти. На постоянном токе можно варить электродной проволокой без обмазки и электродами, созданными для сварки как на постоянном токе, так и на переменном. Для придания стойкости горения дуги на малых токах лучше иметь завышенное напряжение холостого хода Uxx сварочной обмотки (до 70 — 75 В). Для выпрямления переменного тока используются простые «мостовые» выпрямители на мощных диодах с ради­аторами охлаждения (рис. 1). Для сглаживания пульсаций напряже­ния один из выводов С.А.  подсоединяют к держателю электродов через дроссель L1, представляющий собой катушку из 10 – 15 витков медной шины сечением S = 35 мм²  намотанной на любом сердеч­нике, к примеру от магнитного пускателя. Для выпрямления и плавного регули­рования сварочного тока используются более сложные схемы с внедрением мощных управляемых тиристоров. Одна из возможных схем на тиристорах типа Т161 (Т160) приведена в статье А.Чернова «И зарядит и приварит» (Моделист-конструктор, 1994, № 9). Достоинства ре­гуляторов постоянного тока — в их уни­версальности. Спектр конфигурации ими напряжений составляет 0,1-0,9 Uxx. что позволяет использовать их не только лишь для ­плавной регулировки тока сварки, но и для зарядки аккумуляторных батарей, питания электронагревательных частей и других целей.

 Рис. 1. Мостовой выпрямитель для сварочного аппарата. Показано подключение С.А. для свар­ки тонколистового металла на “оборотной” по­лярности — “+” на электроде, “-” на свари­ваемой детали U2: — выходное переменное на­пряжение сварочного аппарата

Сварочные аппараты переменного тока используются при сварке электрода­ми, поперечник которых более 1,6 – 2 мм, а толщина свариваемых изделий — более 1,5 мм. При всем этом ток сварки большой (10-ки ампер) и дуга пылает довольно стабильно. Используются электроды, созданные для сварки лишь на переменном токе. Для обычной работы сварочного аппарата нужно:

1.Обеспечить выходное напряжение для надежного зажигания дуги. Для лю­бительского С.А. Uxx = 60 – 65в. Более вы­сокое выходное напряжение холостого хода не рекомендуется, что связано в ос­новном с обеспечением безопасности ра­боты (Uxx промышленных сварочных ап­паратов — до 70 – 75 В).

2.Обеспечить напряжение сварки U св нужное для устойчивого горения дуги. Зависимо от поперечника электро­да — Uсв =18 – 24в.

3.Обеспечить номинальный свароч­ный ток Iсв = (30 – 40) dэ, где Iсв— вели­чина сварочного тока, А; 30 – 40 — коэф­фициент, зависящий от типа и поперечника электрода; dэ — поперечник электрода, мм.

4.Ограничить ток короткого замыка­ния Iкз, величина которого не должна пре­вышать номинальный сварочный ток более чем на 30 – 35%.

Устойчивое горение дуги может быть в этом случае, если сварочный аппарат будет владеть падающей наружной характерис­тикой, которая определяет зависимость меж силой тока и напряжением в сва­рочной цепи (рис. 2).

Сварочный аппарат указывает, что для грубого (ступен­чатого) перекрытия спектра сварочных токов нужна коммутация как пер­вичных обмоток, так и вторичных (что конструктивно более трудно из-за боль­шого протекающего в ней тока). Не считая того, для плавной конфигурации тока сварки в границах избранного спектра употребляются механические устройства переме­щения обмоток. При удалении сварочной обмотки относительно сетевой увеличи­ваются магнитные потоки рассеивания, что приводит к понижению тока сварки. Конструируя любительский С.А. не следует стремиться к полному перекры­тию спектра сварочных токов. Целесо­образно на первом шаге собрать свароч­ный аппарат для работы с электродами поперечником 2 – 4 мм, а на втором шаге, в случае необходимости работы на малых токах сварки, дополнить его отдельным выпрямительным устройством с плавным регулированием сварочного тока. Любительские сварочные аппараты должны удовлетворять ряду требований, главные из которых последующие: отно­сительная компактность и маленький вес; достаточная длительность работы (более 5 – 7 электродов dэ = 3 – 4 мм) от сети 220в. Вес и габариты аппарата могут быть снижены благодаря уменьше­нию его мощности, а повышение продол­жительности работы — благодаря исполь­зованию стали с высочайшей магнитной про­ницаемостью и термостойкой изоляции обмоточных проводов. Эти требования несложно выполнить, зная базы кон­струирования сварочных аппаратов и при­держиваясь предлагаемой технологии их производства.

 Рис. 2. Падающая наружная черта сварочного аппарата: 1 — семейство характе­ристик для разных диапазонов сварки; Iсв2, Iсвз, Iсв4 — спектры токов сварки для электродов поперечником 2, 3 и 4 мм соответст­венно; Uxx— напряжение холостого хода СА. Iкз – ток короткого замыкания; Ucв -диапазон напряжений сварки (18 – 24 В)

Рис. 3. Магнитопровод стержневого типа: а — пластинки Г-образной формы; б — пластинки П-образной формы; в — пластинки из полос трансформаторной стали; S =axb — площадь поперечного сечения сердечника (керна), см² с, d — размеры окна, см

Итак, выбор типа сердечника. Для производства сварочных аппара­тов употребляют в основном магнитопроводы стержневого типа, так как в ис­полнении они более технологичны. Сер­дечник набирают из пластинок электротех­нической стали любой конфигурации тол­щиной 0,35- 0,55 мм, стянутых шпиль­ками, изолированными от сердечника (рис. 3). При подборе сердечника необ­ходимо учесть размеры “окна”, чтоб поместились обмотки сварочного аппара­та, и площадь поперечного сечения сер­дечника (керна) S =axb, см². Как пока­зывает практика, не следует выбирать ми­нимальные значения S = 25 – 35 см, по­скольку сварочный аппарат не будет об­ладать требуемым запасом мощности и доброкачественную сварку получить будет труд­но. Ну и перегрев сварочного аппарата после кратковременной работы также неизбежен. Сечение сердечника должно состав­лять S = 45 – 55 см². Сварочный аппарат будет несколько тяжелее, но не подведет! Все большее распространение получа­ют любительские сварочные аппараты на сердечниках тороидального типа, которые владеют более высочайшими электротехни­ческими чертами, приблизительно в 4 – 5 раз выше, чем у стержневого, а электропотери невелики. Трудовые затраты на их изготовку более значительны и свя­заны сначала с размещением обмоток на торе и сложностью самой на­мотки. Но при правильном подходе они дают отличные результаты. Сердечни­ки изготовляют из ленточного трансфор­маторного железа, свернутого в рулон в форме тора. Примером может служить сердечник из автотрансформатора «Латр» на 9 А. Для роста внутреннего диа­метра тора («окна») с внутренней стороны отматывают часть металлической ленты и на­матывают на внешнюю сторону сердеч­ника. Но, как указывает практика, одно­го «Латра» недостаточно для производства высококачественного С.А. (не достаточно сечение S). Даже после работы с 1 – 2 электродами диамет­ром 3 мм он перегревается. Может быть ис­пользование 2-ух схожих сердечников по схеме, описанной в статье Б.Соколова «Сварочный малыш» (Сам, 1993, № 1), либо изготовка 1-го сердечника методом перемотки двух (рис. 4).

Рис. 4. Магнитопровод тороидального типа: 1.2 — сердечник автотрансформатора до и после перемотки; 3 конструкция С.А. на базе 2-ух тороидальных сердечников; W1¹W1² — сетевые обмотки, включенные параллельно; W₂ — сварочная обмотка; S =axb — площадь поперечного сечения сердечника, см² , с, d— внутренний и наружный поперечники тора, см; 4 — электронная схема С.А. на базе 2-ух со­стыкованных тороидальных сердечников

Особенного внимания заслуживают люби­тельские С.А. сделанные на базе ста­торов асинхронных трехфазных электро­двигателей большой мощности (более 10 кВт). Выбор сердечника определяется площадью поперечного сечения статора S. Штампованные пластинки статора не полностью соответствуют характеристикам электротехнической трансформаторной стали, потому уменьшать сечение S менее 40 – 45 см нецелесообразно.

Статор высвобождают от корпуса, уда­ляют из внутренних пазов статорные об­мотки, срубают зубилом перемычки пазов, зачищают внутреннюю поверх­ность ратфилем либо абразивным кру­гом, скругляют острые кромки сердечни­ка и обматывают его плотно, с перекры­тием хлопчатобумажной изоляционной лентой. Сердечник готов для намотки об­моток.

Выбор обмоток. Для первичных (сете­вых) обмоток лучше использовать специ­альный медный обмоточный провод в х.б. (стеклотканевой) изоляции. Удовлетвори­тельной теплостойкостью владеют также провода в резиновой либо резинотканевой изоляции. Неприменимы для работы при завышенной температуре (а это уже за­кладывается в конструкцию любительско­го С.А.) провода в полихлорвиниловой (ПХВ) изоляции из-за вероятного ее рас­плавления, вытекания из обмоток и их короткого замыкания. Потому полихлор­виниловую изоляцию с проводов необхо­димо или снять и обмотать провода по всей длине х.б. изоляционной лентой, или не снимать, а обмотать провод по­верх изоляции. Вероятен и другой про­веренный на практике метод намотки. Но об этом ниже.

При подборе сечения обмоточных про­водов с учетом специфичности работы С.А. (пе­риодический) допускаем плотность тока 5 А/мм². При токе сварки 130 – 160 А (электрод dэ = 4 мм) мощность вторичной обмотки составит Р₂ =Iсв х 160×24 = 3,5 – 4 кВт, мощность первичной обмот­ки с учетом утрат составит порядка 5— 5,5 кВт, а как следует, наибольший ток первичной обмотки может достигать 25 А. Следовательно, сечение провода пер­вичной обмотки S₁должно быть более 5 – 6 мм. На практике лучше ис­пользовать провод сечением 6 – 7 мм² Или это прямоугольная шина, или мед­ный обмоточный провод поперечником (без изоляции) 2,6 – 3мм. (Расчет по известной формуле S = пиR²где S — площадь круга, мм²  пи = 3,1428; R — радиус круга, мм.) При недостающем сечении 1-го провода вероятна намотка в два. При ис­пользовании дюралевого провода его се­чение нужно прирастить в 1,6 – 1,7 раза. Можно ли уменьшить сечение провода сетевой обмотки? Да, можно. Но при этом С.А. растеряет требуемый запас мощности, будет греться быстрее, ну и рекомен­дуемое сечение керна S = 45 – 55 см в данном случае будет необоснованно велико. Число витков первичной обмотки W₁ определяется из последующего соотноше­ния: W₁ =  [(30 — 50):S] х U₁где 30-50 – неизменный коэффициент; S — сечение керна, см² , W₁ = 240 витков с отводами от 165, 190 и 215 витков, т.е. через каждые 25 витков.

Большее количество отводов сетевой обмотки, как указывает практика, неце­лесообразно. И вот почему. За счет умень­шения числа витков первичной обмотки возрастает как мощность С.А. так и Uxx, что приводит к увеличению напря­жения горения дуги и ухудшению каче­ства сварки. Как следует, только изме­нением числа витков первичной обмотки достигнуть перекрытия спектра свароч­ных токов без ухудшения свойства сварки нельзя. Для этого нужно предусмот­реть переключение витков вторичной (сварочной) обмотки W_2.

Вторичная обмотка W₂ должна содер­жать 65 — 70 витков медной изолирован­ной шины сечением более 25 мм (лучше сечением 35 мм ). Полностью подой­дет и гибкий многожильный провод (на­пример, сварочный) и трехфазный сило­вой многожильный кабель. Главное, се­чение силовой обмотки не должно быть меньше требуемого, а изоляция — тепло­стойкой и надежной. При недостающем сечении провода вероятна намотка в два и даже в три провода. При использовании дюралевого провода его сечение необ­ходимо увеличить в 1,6 – 1,7 раза.

 Рис. 5. Крепление выводов обмоток СА: 1 — корпус СА; 2 — шайбы; 3 — клеммный болт; 4 — гайка; 5 — медный наконечник с проводом

Трудность приобретения переключате­лей на большие токи, ну и практика по­казывают, что более просто выводы сварочной обмотки завести через медные наконечники под клеммные болты диа­метром 8 – 10 мм (рис. 5). Медные наконечники изготавливают из медных трубок подходящего поперечника длиной 25 – 30 мм и укрепляют на проводах опрессовкой и, лучше, пропайкой. Особо остановимся на порядке намот­ки обмоток. Общие правила:

1.Намотка должна выполняться по изолированному керну и всегда в одном направлении (к примеру, по часовой стрелке).

2.Каждый слой обмотки изолируют слоем х.б. изоляции (стеклоткани, элек­трокартона, кальки), лучше с про­питкой бакелитовым лаком.

3.Выводы обмоток залуживают, мар­кируют, закрепляют х.б. тесьмой, на вы­воды сетевой обмотки дополнительно на­девают х.б. кембрик.

4.В случае колебаний в качестве изо­ляции намотку можно проводить с ис­пользованием х/б шнура вроде бы в два про­вода (создатель использовал х.б. нить для ры­боловства). После намотки 1-го слоя обмотку с х.б. нитью фиксируют клеем, лаком и т.д. и после высыхания наматы­вают последующий ряд.

Разсмотрим порядок расположения обмоток на магнитопроводе стержневого типа. Сетевую обмотку можно располо­жить 2-мя основными методами. Пер­вый метод позволяет получить более «жесткий» режим сварки. Сетевая обмот­ка в данном случае состоит из 2-ух одина­ковых обмоток W₁W₂ расположенных на различных сторонах сердечника, соеди­ненных поочередно и имеющих оди­наковое сечение проводов. Для регули­ровки выходного тока на каждой из об­моток изготовлены отводы, которые попарно замыкаются (рис. 6а,в).

2-ой метод предусматривает намот­ку первичной (сетевой) обмотки на одной из сторон сердечника (рис. 6 в,г). В этом случае сварочный аппарат обладает крутопадающей ха­рактеристикой, варит «мягко», длина дуги меньше оказывает влияние на величину сварочного тока, а как следует, и на качество свар­ки. После намотки первичной обмотки СА нужно проверить на наличие короткозамкнутых витков и корректность вы­бранного числа витков. Сварочный транс­форматор включают в сеть через плавкий предохранитель (4 – 6А). Если предо­хранитель сгорает либо очень нагревается — это очевидный признак короткозамкнутого витка. Как следует, первичную обмот­ку придется перемотать, обратив повышенное внимание на качество изоляции.

Рис. 6. Методы намотки обмоток СА на сер­дечнике стержневого типа: а – сетевая обмот­ка на 2-ух сторонах сердечника; б — соответ­ствующая ей вторичная (сварочная) обмотка, включенная встречно-параллельно; в — сете­вая обмотка на одной стороне сердечника; г — соответственная ей вторичная обмотка, включенная поочередно

Если сварочный аппарат очень гудит, а потребляемый ток превосходит 2 – 3 А, то это значит, что число первичной об­мотки занижено и нужно подмотать еще некое количество витков. Ис­правный СА потребляет ток холостого хода менее 1 – 1,5 А, не нагревается и гудит не громко. Вторичную обмотку СА всегда нама­тывают на 2-ух сторонах сердечника. Для первого метода намотки вторичная об­мотка также состоит из 2-ух схожих половин, включенных для увеличения ус­тойчивости горения дуги (рис. 6) встречно-параллельно, а сечение провода можно взять несколько меньше — 15 – 20 мм² .

Для второго метода намотки основная сварочная обмотка W₂¹ наматывается на свободной от обмоток стороне сердечника и составляет 60 — 65% от общего числа витков вторичной обмотки. Она служит в главном для поджига дуги, а во время сварки, за счет резкого роста маг­нитного потока рассеивания, напряжение на ней падает на 80 — 90%. Дополнитель­ная сварочная обмотка W₂² наматывается поверх первичной. Являясь силовой, она поддерживает в требуемых границах на­пряжение сварки, а как следует, и сва­рочный ток. Напряжение на ней падает в режиме сварки на 20 — 25% относительно напряжения холостого хода. После производства С.А нужно провести его настройку и проверку каче­ства сварки электродами различного диа­метра. Процесс опции заключается в последующем. Для измерения сварочного тока и напряжения нужно приобрес­ти два электроизмерительных прибора — амперметр переменного тока на 180 — 200 А и вольтметр переменного тока на 70 – 80в.

Рис. 7. Методы намотки обмоток СА на сер­дечнике тороидального типа: 1.2 — равномер­ная и секционная намотка обмоток соответст­венно: а — сетевая б — силовая

 Рис. 8. Схема подключения измерительных устройств

Схема их подключения показана на рис. 8. При сварке разными электродами снимают значения тока сварки — Iсв и напряжения сварки Uсв которые долж­ны быть в требуемых границах. Если сва­рочный ток мал, что бывает в большинстве случаев (электрод липнет, дуга неуравновешенная), то в данном случае или переключением пер­вичной и вторичной обмоток устанавли­вают требуемые значения, или перерас­пределяют количество витков вторичной обмотки (без их роста) в сторону роста числа витков, намотанных по­верх сетевой обмотки. После сварки можно сделать разлом либо распиливание кромок свариваемых изделий, и сходу станет ясно качество сварки: глубина провара и толщина на­плавленного слоя металла. По результатам измерений полезно со­ставить таблицу.

Исходя из данных таблицы, выбирают рациональные режимы сварки для элек­тродов различного поперечника, помня о том, что при сварке электродами, к примеру, поперечником 3 мм, электродами поперечником 2 мм можно резать, т.к. ток резки больше сварочного на 30 — 25%. Трудность покупки измерительных устройств, рекомендованных выше, за­ставила прибегнуть к изготовле­нию измерительной схемы (рис. 9) на ба­зе более распространенного милли­амперметра постоянного тока на 1—10 мА. Она состоит из измерителей напряжения и тока, собранных по мостовой схеме.

Рис. 9. Принципная схема измерителей напряжения и тока сварки и конструкция трансформатора тока

Измеритель напряжения подключают к выходной (сварочной) обмотке С.А. На­стройку производят при помощи лю­бого тестера, которым держут под контролем выходное напряжение сварки. С помо­щью переменного сопротивления R.3 стрелку прибора устанавливают на ко­нечное деление шкалы при максималь­ном значении Uxx Шкала измерителя напряжения довольно линейна. Для большей точности можно снять две — три контрольные точки и проградуировать измерительный прибор на измерение напряжений.

Более трудно настроить измеритель тока, так как он подключается к само­стоятельно сделанному трансформа­тору тока. Последний представляет собой сердечник тороидального типа с 2-мя об­мотками. Размеры сердечника (наружный поперечник 35—40 мм) принципиального значения не имеют, главное, чтоб умес­тились обмотки. Материал сердечника — трансформаторная сталь, пермаллой либо феррит. Вторичная обмотка состоит из 600 — 700 витков медного изолированного провода марки ПЭЛ, ПЭВ, лучше ПЭЛШО поперечником 0,2 – 0,25 мм и под­ключена к измерителю тока. Первичная об­мотка — это силовой провод, проходящий снутри кольца и подключаемый к клемному болту (рис. 9). Настройка измерителя тока заключается в последующем. К силовой (сварочной) обмотке С.А. подключают ка­либрованное сопротивление из толстой нихромовой проволоки на 1 – 2 сек (очень нагревается) и определяют напряжение на выходе С.А. По закону Ома определяют ток, протекающий в сварочной обмотке. К примеру, при подключении Rн = 0,2ом Uвых = 30в.

Отмечают точку на шкале прибора. 3-х – 4 измерений с различными R_H до­статочно, чтоб откалибровать измери­тель тока. После калибровки приборы ус­танавливают на корпус С.А, пользуясь общепринятыми советами. При сварке в разных критериях (мощная либо слаботочная сеть, длинный либо короткий подводящий кабель, его се­чение и т.д.) переключением обмоток на­страивают С.А. на лучший режим сварки, и дальше тумблер можно ус­тановить в нейтральное положение. Несколько слов о контактно-точечной сварке. К конструированию С.А. данного типа предъявляется ряд специфичных требований:

1. Мощность, отдаваемая в момент сварки, должна быть наибольшей, но менее 5—5,5 кВт. В данном случае потреб­ляемый из сети ток не превзойдет 25 А.

2. Режим сварки должен быть «жест­ким», а как следует, намотка обмоток С.А. должна проводиться по первому ва­рианту.

3. Токи, протекающие в сварочной об­мотке, добиваются значений 1500—2000 А и выше. Как следует, напряжение свар­ки должно быть менее 2—2,5в, а на­пряжение холостого хода — 6—10в.

4. Сечение проводов первичной обмот­ки более 6—7 мм , а сечение вторич­ной обмотки более 200 мм Добиваются такового сечения проводов методом намотки 4—6 обмоток и их следующего парал­лельного соединения.

5. Дополнительных отводов от первич­ной и вторичной обмоток делать нецеле­сообразно.

6. Число витков первичной обмотки можно взять мало расчетное в связи с кратковременностью работы С.А.

7. Сечение сердечника (керна) наименее 45—50 см брать не рекомендуется.

8. Сварочные наконечники и подвод­ные кабели к ним должны быть медными и пропускать надлежащие токи (диа­метр наконечников 12—14 мм).

Особенный класс любительских С.А. пред­ставляют аппараты, сделанные на базе промышленных осветительных и дру­гих трансформаторов (2—3 фазных) на выходное напряжение 36 в и мощностью более 2,5—3 кВт. Но до того как брать­ся за переделку, нужно измерить се­чение керна которое должно быть более 25 см , и поперечники первичной и вторичной обмоток. Вам сходу станет ясно, чего можно ожидать от переделки дан­ного трансформатора.

И в заключение несколько технологи­ческих советов.

Подключение сварочного аппарата к сети должно выполняться проводом се­чением 6—7 мм через автомат на ток 25 — 50 А, к примеру АП-50. Диаметр электрода зависимо от толщины свариваемого металла можно избрать исходя из последующего соотноше­ния: da= (1—1,5)L, где L— толщина сва­риваемого металла, мм. Длина дуги выбирается зависимо от поперечника электрода и в среднем равна 0,5—1,1 d3. Рекомендуется делать сварку короткой дугой 2—3 мм, напряже­ние которой равно 18—24 В. Повышение длины дуги приводит к нарушению ста­бильности ее горения, увеличению утрат на угар и разбрызгиванию, понижению глу­бины проплавления основного металла. Чем длиннее дуга, тем выше напряжение сварки. Скорость сварки выбирает свар­щик зависимо от марки и толщины металла.

При сварке на прямой полярности плюс (анод) подсоединяют к детали и минус (катод) — к электроду. Если необ­ходимо, чтоб на детали выделялось наименьшее количество тепла, к примеру при сварке тонколистовых конструкций, при­меняют сварку на оборотной полярности (рис. 1). В этом случае минус (катод) при­соединяют к свариваемой детали, а плюс (анод) — к электроду. При всем этом не только лишь обеспечивается наименьший нагрев свариваемой детали, но и ускоряется про­цесс расплавления электродного металла за счет более высокой температуры анод­ной зоны и большего подвода тепла. Сварочные провода присоединяют к СА через медные наконечники под клеммные болты с внешней стороны корпуса сварочного аппарата. Плохие контактные соединения понижают мощностные свойства СА, усугубляют качество сварки и могут вызвать их пере­грев и даже возгорание проводов. При маленький длине сварочных про­водов (4—6 м) сечение их должно быть более 25 мм. При выполнении сварочных работ не­обходимо соблюдать правила пожарной и электробезопасности при работе с электро­приборами. Сварочные работы следует вести в специальной маске с защитным стеклом марки С5 (на токи до 150—160 А) и рукавицах. Все переключения СА вы­полнять только после отключения свароч­ного аппарата от сети.