Значения тока и напряжения на дуге в процессе сварки непрерывно меняются. Капли расплавленного металла замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги. Происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, затем к горению дуги с образованием капли расплавленного металла, которая вновь замыкает дуговой промежуток. При этом ток возрастает до величины тока короткого замыкания, что приводит к сжатию и перегоранию мостика между каплей и электродом. Напряжение возрастает, дуга вновь возбуждается, и процесс периодически повторяется.
Такие изменения тока и напряжения на дуге происходят в доли секунды, поэтому источник питания сварочной дуги должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. быстро реагировать на все изменения в дуге.
Сварочное оборудование бывает нескольких видов: генераторы (агрегаты), трансформаторы, полуавтоматы, сварочные выпрямители, инверторы. Каждый из этих аппаратов обладает плюсами и минусами.
Сварочными генераторами называют сложные электромеханические устройства, которые сами вырабатывают электричество и поэтому могут использоваться на неэлектрифицированных объектах: в строящемся доме, гараже, на только что купленном дачном участке. Главный их недостаток – большие размеры, огромный вес и трудоемкость обслуживания. К тому же они весьма недешевы.
Сварочные трансформаторы переменного тока, пожалуй, наиболее простые, недорогие и распространенные из всех видов сварочных аппаратов. Как и большинство остальных бытовых сварочных аппаратов, они используют плавящиеся электроды.
Применяются такие сварочные аппараты, как правило, для сварки низколегированных сталей. Качественно изготовленный трансформатор исключительно надежен и не требует специального обслуживания. Но сварка на переменном токе отличается невысоким качеством и требует определенных навыков от сварщика. Регулировка силы тока довольно неудобна – осуществляется перемещением сердечника рассеяния, отведением обмоток на первичной стороне либо с помощью магнитного усилителя (трансдуктора)[11].
Это, в свою очередь, увеличивает и утяжеляет сварочные трансформаторы, и без того обладающие немалыми габаритами и весом.
Косвенно судить о ВАХ сварочного аппарата можно по паспортным данным. А именно, зная напряжения холостого хода и номинальное, а также номинальный (рабочий) ток и ток короткого замыкания, можно достаточно точно оценить ее крутизну. При неудовлетворительных параметрах крутизну ВАХ можно увеличить включением в сварочную цепь балластного сопротивления, но все же лучше, если аппарат в этом не нуждается.
Сварочныевыпрямители представляют собой те же трансформаторы переменного тока, оснащенные выпрямительным блоком и иногда регулирующим устройством. Более сложное устройство потребляет больше электроэнергии и намного тяжелее. Зато постоянный ток обеспечивает более качественную и комфортную работу. Достоинствами сварочных выпрямителей являются, кроме того, возможность сваривать не только черные, но и цветные металлы и сплавы, а также меньшая стоимость по сравнению с более сложными аппаратами.
Иногда полученный на выходе выпрямителя ток имеет слишком большой коэффициент пульсации и плохо поддерживает дугу на постоянном токе. Тогда применяют еще и сглаживающий дроссель, а он по массе может быть сравним с трансформатором (самой тяжелой частью).
Сварочные полуавтоматы тоже выполнены на базе трансформаторов. Их особенностью является то, что сварка осуществляется не электродами, а специальной проволокой в газовой среде (обычно применяется аргон или углекислый газ). Есть модели, которые позволяют работать и без газа, для чего используется специальная флюсовая проволока. Такие аппараты позволяют варить сталь, в том числе нержавейку, а также алюминий. Свариваемый металл определяет материал проволоки и используемый газ: для железа лучше всего подойдет углекислый газ, для алюминия – аргон.
Сварочная проволока по шлангу автоматически подается в сварочную горелку, обеспечивая ровный, хорошо защищенный от коррозии шов. Такая сварка получила широкое распространение в ремонте автомобилей. Недостатками полуавтоматов можно считать большой вес и габариты, высокую цену и сложную конструкцию, включающую роликовый механизм подачи проволоки. Кроме того, для сварки требуется наличие баллона с газом. Номинальный срок службы сварочных полуавтоматов – 5 лет со сменой сварочной горелки через каждые полгода.
Сварочные инверторы, пожалуй, наиболее популярная сегодня категория сварочных аппаратов. Принцип работы инвертора таков: переменный ток от потребительской сети частотой 50 Гц выпрямляется и сглаживается фильтром. Полученный постоянный ток преобразуется инвертором снова в переменный, но уже высокой частоты (до 100 кГц). Затем высокое переменное напряжение высокой частоты понижается до 70–90 В, а сила тока соответственно повышается до необходимых для сварки 100–200 А. Высокая частота сварочного тока позволяет добиться значительных преимуществ сварочного инвертора перед другими источниками питания сварочной дуги: малых габаритов и веса, высокого КПД источника питания (порядка 90 %). Дуга в данном случае получается очень устойчивой, сварной шов выходит гораздо ровнее, чем у моделей трансформаторного типа.
Современные инверторы, наряду с постоянным током, выдают также переменный ток, причем как синусоидальными, так и прямоугольными импульсами. Электроды, например, с исключительно основным покрытием, которые не позволяют вести сварку синусоидальным переменным током, успешно расплавляются при подаче прямоугольного переменного тока. Такая необходимость может возникнуть при наличии неблагоприятных условий дутья.
Электронное управление инвертором позволяет за микросекунды подрегулировать параметры сварочного тока, ограничить ток короткого замыкания и улучшить cos ϕ. Если, например, напряжение электрической дуги из-за большой капли, образовавшейся на электроде, становится слишком коротким и падает ниже 8 В, сила тока автоматически повышается. Это может помочь электрической дуге освободиться и не погаснуть. Такая функция особенно важна при сварке электродами c целлюлозным, а также с основным покрытием.
Простые сварочные трансформаторы подключаются к одно– или двухфазной потребительской электросети, более мощные аппараты – трехфазно ко всем трем фазам сети трехфазного тока. В последнем случае можно получить весьма равномерный ток без большой пульсации. Однородность тока особенно важна при сварке основными электродами и сварке металлических сплавов, например никелевых.
Ширину электрической дуги, а значит, и ее жесткость можно плавно изменять регулируемым дросселем. Более жесткая дуга требуется, например, при наличии неблагоприятных условий дутья.
За надежным зажиганием дуги и достаточным прогревом на еще холодном основном материале в начале сварки следит функция «Горячий пуск» (Hotstart). Зажигание при этом производится с повышенной силой тока.
Функция Antistick препятствует прокаливанию электрода, когда зажигание заканчивается неудачей и электрод прилипает к изделию. Если после зажигания не происходит нарастания напряжения, ток немедленно снижается до нескольких ампер. После этого электрод можно легко отделить от металла.
Есть у инверторов и недостатки: прежде всего высокая стоимость по сравнению с другими типами сварочных аппаратов, а также требовательность к качеству питания – при скачках или просадках напряжения, что в нашей действительности случается довольно часто, инвертор может быстро выйти из строя. Эти аппараты боятся пыли, поэтому производители рекомендуют хотя бы два раза в год чистить аппарат изнутри. Инверторы не любят мороза, и при температуре ниже –15 °C их эксплуатация не всегда возможна. Ремонтопригодность такого оборудования весьма низкая – сложная электронная схема не поддастся неспециалисту, настройка ее требует специального измерительного оборудования, а стоимость ремонта в мастерской составит как минимум треть цены всего аппарата. Особенно страдают подобным поведением недорогие инверторы родом из азиатских стран. Более надежные аппараты солидных торговых марок стоят существенно дороже. И еще одна особенность: длина каждого из сварочных кабелей инвертора не должна превышать 2,5 метра.
При выборе того или иного аппарата следует учитывать также следующие соображения.
Все сварочные аппараты обладают такой характеристикой, как ПВ – продолжительность включения, или ПН – процент времени непрерывной работы при определенном токе. Это показатель времени непрерывного горения дуги, которое может обеспечить конкретная модель сварочного оборудования в течение условного 10-минутного цикла. Например, в паспорте указано, что для тока 160 А ПВ = 30 %. Это означает, что аппарат будет работать 3 минуты (10 мин Ч 30 %), а на 7 минут придется сделать перерыв. Поэтому не следует покупать аппарат с номинальным током 120 А и ПВ, равной 20 %, который перегреется через один-два электрода. К тому же многие производители занижают условия измерений, например понижают температуру окружающей среды или берут пятиминутный интервал. В результате аппарат либо не обеспечивает нужный ток, либо работает с перегрузкой, перегревается и выходит из строя. Всегда необходимо иметь запас по току (мощности), поэтому оптимальные параметры аппарата для большинства бытовых работ – 160 А и ПВ не менее 40 %. Если необходимо работать длительное время, нужно приобретать сварочный аппарат с еще более высокой ПВ.
