Из чего состоит инверторный сварочный аппарат

Инверторный источник сварочного тока, ИИСТ, сварочный инвертор — это один из видов источника питания сварочной дуги.

Основное назначение всех сварочных источников — обеспечивать стабильное горение сварочной дуги и её легкий поджиг. Одним из самых важных параметров сварочного процесса является его устойчивость к колебаниям и помехам. Существует несколько видов источников питания сварочной дуги — трансформаторы, дизельные или бензиновые электрогенераторы, выпрямители и инверторы. Инверторный источник сварочного тока появился в XX веке, а в начале XXI века стал одним из самых популярных сварочных аппаратов для всех видов дуговой сварки.

Содержание

Типы инверторных источников сварочного тока [ править | править код ]

Инверторные источники сварочного тока для всех видов сварки устроены одинаково. Отличие состоит лишь в формируемой вольт-амперной характеристике. Поэтому возможен выпуск универсальных ИИСТ, пригодных для различных видов сварки (MMA, TIG, MIG/MAG).

Принцип действия [ править | править код ]

Сварочный инвертор представляет собой силовой трансформатор для понижения напряжения сети до необходимого напряжения холостого хода источника, блок силовых электрических схем, в основу которых заложены транзисторы MOSFET или IGBT и стабилизирующего дросселя для уменьшения пульсаций выпрямленного тока. Принцип действия инверторного источника сварочной дуги следующий: сетевое напряжение переменного тока подается на выпрямитель, после которого силовой модуль преобразует постоянный ток в переменный с повышенной частотой, который подается на высокочастотный сварочный трансформатор, имеющий существенно меньшую массу, чем сетевой, напряжение которого, после выпрямления, подается на сварочную дугу. Дуга на постоянном токе более устойчива.

Преимущества [ править | править код ]

Преимуществом инверторного источника питания сварочной дуги является уменьшение размеров силового трансформатора и улучшение динамической характеристики дуги. Использование инверторных технологий привело к уменьшению габаритов и массы сварочных аппаратов, улучшению качественного показателя сварочной дуги, повышению КПД, минимальному разбрызгиванию при сварке, позволило реализовать плавные регулировки сварочных параметров.

Недостатки [ править | править код ]

• До конца 2000-х годов инверторные источники были намного дороже трансформаторных и менее надежны. По состоянию на 2010-е годы цена на инверторные аппараты значительно снизилась и приблизилась к трансформаторным. Надежность ИИСТ тоже существенно возросла, особенно с началом массового применения IGBT-модулей.
• Ограниченность по коэффициенту загрузки, что связано со значительным нагревом элементов схемы.
• Повышенная чувствительность к влажности воздуха и конденсату, выпадающему внутри корпуса.
• Высокий (а зачастую — опасный) уровень создаваемых высокочастотных электромагнитных помех. Эта проблема частично решается применением так называемой улучшенной широтно-импульсной модуляции и синхронными выпрямителями во вторичных цепях. Однако эти решения существенно удорожают и утяжеляют устройство поэтому нашли применение лишь в профессиональных стационарных моделях. В ряде стран, например, в Канаде, Бельгии и Нидерландах, есть ограничения на применение импульсных источников питания с «жестким» переключением транзисторов. Наиболее ранние типы сварочных инверторов (построенные на биполярных транзисторах) использовали резонансный принцип и переключение выходных транзисторов при нулевой фазе тока, что существенно сужает спектр электромагнитных помех и уменьшает их спектральную мощность. По состоянию на 2015 год сварочные инверторы резонансного типа все ещё выпускаются в России и некоторыми производителями в Китае.

Схемотехника [ править | править код ]

Инверторные источники сварочного тока могут строиться по самым различным схемам, но на практике преобладают три:

1. Однотактный прямоходный импульсный преобразователь с ШИМ-регулированием и рекупераций энергии. Такие инверторы наиболее просты, легки и компактны, но силовые транзисторы переключаются с разрывом тока при ненулевом напряжении, что приводит к значительным коммутационным потерям и большому уровню электромагнитных помех. Схема может быть реализована только на особо быстродействующих мощных MOSFET или IGBT транзисторах, поэтому получила распространение только в начале 2010-х годов. Также для работы схемы требуются мощные диоды с предельно малым временем обратного восстановления. Работоспособность схемы в значительной степени зависит от интенсивности переходных процессов на паразитных емкостях и индуктивностях компонентов, проводов и печатной платы, что требует тщательности проектирования и высокой точности изготовления. Схема применяется в переносных сварочных аппаратах, рассчитанных на небольшую мощность (до 4 кВт). Несмотря на малое число компонентов такие инверторы достаточно дорогие, причем 60-70% стоимости составляют специальные транзисторы и диоды. Схема распространена у европейских и японских производителей.
2. Полумостовой или мостовой двухтактный преобразователь с ШИМ-регулированием. Коммутационные потери и уровень электромагнитных помех в них меньше, чем у предыдущего типа, но все таки достаточно высок. Схема обладает большей сложностью и требует большего числа компонентов, но развиваемая преобразователем мощность существенно выше, чем в однотактных схемах (до 10 кВт). Также требуются быстродействующие MOSFET или IGBT с высокой допустимой импульсной мощностью рассеивания, хотя и меньшей, чем в однотактной схеме. Требования к диодам также существенно ниже, чем в однотактной схеме. Работоспособность схемы зависит, но в меньшей степени чем у однотактных, от интенсивности переходных процессов на паразитных емкостях и индуктивностях компонентов, проводов и печатной платы. Гибкость, скорость и точность ШИМ-регулирования позволяет управлять током дуги по сложным законам, что повышает качество сварки. Схема популярна у американских и корейских производителей.
3. Полумостовой или мостовой резонансный преобразователь с частотным или фазовым управлением. Наличие специально введенной резонансной цепи позволяет формировать оптимальную траекторию переключения транзисторов при нулевом напряжении или нулевом токе, а также нивелировать влияние паразитных емкостей и индуктивностей. Особых требований к скорости переключения и мощности транзисторов нет, так как коммутационные процессы происходят пассивно. Это позволяет строить такие инверторы с использованием недорогих транзисторов и диодов. Пригодны даже биполярные транзисторы. Мощность резонансных инверторов может достигать десятков киловатт. Однако резонансная цепь должна обладать значительной энергоемкостью и, соответственно, большими размерами. Поэтому такие аппараты получаются достаточно габаритными и тяжелыми. В виду нетребовательности резонансных преобразователей к характеристикам транзисторов цена таких изделий может быть сравнительно низкой. По этой причине большая часть сварочных инверторов производства России и Китая делаются именно с использованием резонансной схемотехники. Доступны резонансные преобразователи и для кустарного изготовления. Резонансный преобразователь имеет сравнительно узкий диапазон и невысокую скорость регулирования, поэтому реализовать на нем можно только сравнительно простые законы управления током дуги.

Для произведения сварочных соединений существует три вида аппаратов: выпрямители, трансформаторы и инверторы. Каждый из них имеет свои преимущества и актуальность применения при определенных обстоятельствах. Сейчас подробно рассмотрим, что такое инверторная сварка, как и чем она производится, что для этого нужно и по какой технологии стоит работать.

Сварочный инвертор: что это

Инвертор представляет собой устройство, используемое для преобразования электрической энергии стандартной сети с напряжением 220В в переменный ток, но уже с более высокой частотой. Суть его работы можно подробнее рассмотреть на рисунке:

Переменный ток с частотой 50 Гц от сети попадает в аппарат на сетевой выпрямитель №1 и преобразуется в постоянный. Затем он сглаживается через сетевой фильтр №2 и перетрансформируется опять в переменный ток в модуле №3 (это и есть инвертор – преобразователь частоты), но уже с частотами до 100 кГц. После этого, напряжение понижается в трансформаторе №4 до 50-60В, а ток увеличивается до показателя, который необходим для сварки (60-200А). Далее №5 модуль выпрямляет переменный ток. Все эти процессы перехода тока контролируются специальным блоком управления №6.

Устройство имеет огромное преимущество в сравнении с другими сварочными аппаратами, так как он единственный может преобразовать энергию. Кроме этого, он обладает рядом других преимуществ:

• экономичность — сам аппарат стоит не дорого и за счет высокого коэффициента полезного действия энергию «мотает» умеренно;
• доступность — данный аппарат можно приобрести в любом магазине бытовой техники;
• мобильность — агрегат весит не более 10 килограмм, в зависимости от модели. Его легко транспортировать;
• универсальность – при разных настройках данным аппаратом можно сварить любой металл;
• невысокие требования – достаточно напряжения в 170В в сети, чтобы варить электродом 3мм;
• простота в использовании и легкость в обучении – он не требует ученой степени достаточно разобраться в базовых понятиях и элементарных настройках.

Инверторный аппарат может работать при напряжении в 220В или 380В. Но в отличие от других, он не садит сеть и никаким образом не влияет на напряжение. Говоря простым языком – пробки не выбьет и у соседей свет «мигать» не будет. На скачки в электросети аппарат не реагирует, а это еще один важный плюс, так как дуга не пропадает. Для обучения новичкам лучше всего использовать инвертор сварочный, так как на нем проще всего удержать дугу, благодаря чему и шов получится ровным и красивым.

Как выбрать аппарат

Что такое инверторный сварочный аппарат – разобрались, теперь нужно ознакомиться с основными критериями его выбора. Ведущие производители выпускают множество моделей с различными функциями и параметрами. Покупая такое оборудование, надо отнестись ответственно и обратить внимание на следующие показатели:

• Питание сети. Устройства бывают однофазные, работающие от стандартной розетки в 220В. Они отлично подойдут для домашнего использование, но силу тока больше, чем 200А не выдадут. Трехфазные, которым требуется напряжение 380В относятся к классу профессионального оборудования, они более мощные, но и дорогие, соответственно;
• Величина сварочного тока – это показатель, в зависимости от которого выбирается толщина электрода для спайки деталей. Диапазон тока в разных моделях колеблется от 5А до 350А и для них подходят электроды от 1,6 мм до 5мм. Для домашнего использования подойдут аппараты с силой до 200А, на которых свободно можно применять «троечку»;
• ПН (продолжительность нагрузки) – это параметр, означающий время работы одного цикла до выключения. В документах к технике указывается ПН, но следует учесть, что на практике он «тянет» 60%. То есть, если в паспорте написано 10 минут, то он выдержит 6, что вполне достаточно для промышленного и бытового использования.
• Дополнительные функции, которые присутствуют во многих моделях. Например, Arc-Force стабилизирует дугу, то есть, при случайном прерывании автоматом увеличивается сила тока для ее удержания. Tig позволяет подключить аргон (эта опция превращает инвертор в универсальный аппарат для сварки разных видов металлов). HOT- START облегчает контактный поджог дуги (достаточно просто коснуться кончиком проводника поверхности и дуга возбуждается автоматически). Anti Stick препятствует прилипанию электрода к свариваемым поверхностям. Наличие небольшого экрана, на котором видно текущие настройки для работы – упрощают обучение новичкам.

Подготовка к работе

Разобравшись, что такое сварочный инвертор и как он работает, можно приступать к делу. Изначально нужно подготовить все необходимое:

• Защита — это все те средства, которые применяются в целях безопасности. Перчатки из плотного тканевого материала (резиновые – под запретом) защитят кожу в случае попадания искры. Очки или маска (лучше использовать «Хамелеон»), которые защитят глаза от «зайчиков». Роба – это форма одежды, которая стойкая к горению. Она защищает все тело и основную одежду, если разбрызгивается плавящийся металл.

• Рабочее место – одно из главный условий безопасности. Стол для сварки должен быть железным, без покрытия лакокрасочными изделиями. Мастер во время работы должен стоять на деревянной подложке. Важно проводить работы в помещении, где нет легковоспламеняющихся предметов и материалов.
• Выбор электрода зависит от толщины и типа металла. Проводники в продаже обозначены специальной маркировкой для определенного типа изделий. Например, электродом для чугуна нельзя варить сталь. Электроды для инверторной варки указаны в таблице ниже:

• Подготовка металла заключается в его очищении от грязи и различных покрытий, которые могут помешать свариванию. По возможности их нужно закрепить, чтобы они не двигались под воздействием высокой температуры.
• Настройка силы тока в зависимости от типа и толщины изделия:

Технология инверторной сварки

Когда все готово к работе , это означает, что можно начинать. Первым делом необходимо поджечь дугу. Это может производиться тремя способами – чирканьем, постукиванием или касанием ( в случае, если в аппарате есть функция автоматического поджога). Как только она образовалась нужно начинать расплавлять металл, чтобы образовалась сварочная ванна, где потом, когда металл кристаллизуется, останется качественный шов. На этом этапе очень важно положение электрода по отношению к поверхности. Вести можно прямо под углом 90 градусов или наискось, под углом 30-60 градусов. Прямо вести электрод нельзя. Его нужно перемещать «петельками», «зигзагом», «треугольниками». Выбор узора, по которому будет реализоваться шов, для начинающих – по желанию. Потом с опытом, мастер сам поймет, в каких положениях ему удобнее вести проводник тем или иным способом. И, наконец, немаловажным моментом является удержание дуги. Для этого необходимо четко соблюдать равномерное расстояние между металлом и электродом. В идеале это 2-3 мм. При подымании проводника дуга теряется и от этого страдает шов. Есть агрегаты с функцией автоматического удержания дуги, если не получается вручную, лучше воспользоваться такой опцией. Если и так все получается, значит мастеру не потребуется дополнительная возможность техники.

Советы для начинающих

Что такое инверторная сварка – мы рассмотрели, но для начала качественной работы, рекомендуется следовать советам опытных сварщиков:

• не стоит игнорировать правила безопасности и пренебрегать защитными масками, так как один взгляд на искры может вызвать ультрафиолетовый ожог роговицы;
• прежде чем перейти к полноценной варке изделий, нужно «набить» руку на черновых заготовках и перепробовать все виды швов;
• сразу после кристаллизации шва нужно оббить шлак, иначе он станет причиной коррозии металла;
• перед использованием аппарата требуется изучить инструкцию и выставлять режимы, которые соответствуют текущему виду детали;
• если прилипает электрод, нужно уменьшить силу тока;
• нельзя использовать отсыревшие электроды (их лучше предварительно просушить в духовке).

Видео, подробно объясняющее, что такое инверторная сварка:

Сварка, как вид соединения металлических элементов, получила массовое распространение чуть больше века назад. Однако сегодня применяется во многих сферах деятельности, от производства электроники до строительства гигантских конструкций. Поскольку состав используемых при этом металлов бывает весьма разнообразным, для получения надёжных сварочных швов было придумано и реализовано множество видов оборудования. Наиболее популярными среди них являются сварочные аппараты. Рассмотрим, какие бывают сварочные аппараты, виды, плюсы и минусы каждого.

Трансформаторы

Трансформатор является наиболее традиционным видом электрического сварочного аппарата. Одновременно он один из самых простых по конструкции. Основным элементом конструкции этого типа сварочников служит понижающий трансформатор, преобразующий напряжение электросети до значения, необходимого для сварки. Сила тока при этом изменяется с помощью разных методик, наиболее известный — смещение одной обмотки относительно второй. По мере изменения промежутка между обмотками меняется ток.

Особенностью сварочных трансформаторов считается переменный ток на выходе, что приводит к заметному разбрызгиванию металла и ухудшению качества швов. Чтобы проводить сварку цветных металлов, повысить качество горения дуги, в структуру аппарата нужно добавлять достаточно массивные и громоздкие компоненты. Основной элемент — трансформатор — также не отличается компактностью и малым весом. При использовании аппарата для производства серьёзных работ необходимы специфические (для переменного тока) электроды и немалый опыт сварщика.

КПД прибора достаточно высокий, достигает 90%, однако часть энергии тратится на нагрев. Охлаждение осуществляется при помощи вентиляторов разной мощности, поскольку требуется охлаждать агрегат весом в несколько десятков, а иногда и сотен килограммов. Применение этого вида сварочных аппаратов сегодня сокращается, но они всё же пользуются спросом, из-за низкой стоимости, надёжности и долговечности. Используются трансформаторы для сварки низколегированных типов стали.

Выпрямители

Сварочные выпрямители можно считать усовершенствованием аппаратов-трансформаторов. В сварочных швах, полученных при помощи выпрямителей, практически исключены те изъяны, что обусловлены применением переменного тока. Устройства, кроме понижающего трансформатора, имеют в конструкции диодный блок (выпрямитель), элементы регулирования, запуска и защиты. Переменный ток не только меняет напряжение, но и преобразуется в постоянный. Это даёт возможность получить ровную, устойчивую дугу. Соответственно, снижается разбрызгивание металла, шов получается более качественным. Работать можно любыми электродами.

Расширяется также сфера использования сварочника — можно соединять не только низколегированные «чёрные» стали, но и цветные металлы, нержавейку, чугун (применяя соответствующие электроды). Поскольку постоянный ток обладает полярностью, не следует об этом забывать — при подключении электродов этом параметр следует учесть. Некоторые сварочные работы целенаправленно выполняются на обратной полярности (сварка алюминия).

Многие производители сегодня снижают изготовление этого вида бытовых аппаратов. Если же говорить о профессиональном использовании, они до сих пор используются довольно широко. Недостатками можно считать большой вес, необходимость работы квалифицированного сварщика, серьёзную «просадку» напряжения в электросети в процессе сварки. Достоинства — невысокая цена, надёжность и неплохое качество шва.

Полуавтоматы

Полуавтоматические сварочные аппараты в среде инертных или активных газов, или просто полуавтоматы — устройства более сложные, нежели трансформаторы или выпрямители. Однако в использовании более удобны. Часто применяются при кузовном ремонте автомобилей, достаточно широко используются в быту, частном домохозяйстве.

Конструкция состоит из следующих компонентов:

• трансформатора;
• выпрямителя;
• привода, подающего проволоку;
• газового баллона;
• рукава с горелкой.

Сваривание деталей осуществляется плавящейся в электрической дуге проволокой, которая в процессе расположена в среде защитного газа. Регулировка тока осуществляется чаще всего ступенчато, подвержена изменению также скорость подачи проволоки. Соотношением этих параметров устанавливается необходимый режим работ.

Различные модели полуавтоматов работают:

• только с газом;
• с газом или без газа (переключается);
• только без газа.

Если работа производится без газа, применяется специальная проволока (флюсовая). Отличается от обычной флюсовая проволока тем, что в её состав, кроме металла, включается флюс. При горении составляющих флюса образуется облако защитного газа, который предотвращает окисление сварной ванны воздухом. Кроме того, активные элементы состава флюса придают металлу нужные параметры, дуга становится более стабильной. При этом не нужен газовый баллон, что удобно, однако сама проволока существенно дороже.

При работе с различными металлами используют разный газ — углекислый при сварке железа, смесь аргона и углекислоты, если работают со сталью, при сварке алюминия — аргон. Газовые баллоны следует применять промышленные либо фирменные.

Полуавтоматы отличаются высокой производительностью, дают прекрасный качественный шов на различных металлах. Недостатками можно отметить разбрызгивание металла и большой расход материалов на угар.

Инверторы

Аппараты этого типа называют также импульсными. Сегодня сварочные инверторы считаются одними из самых распространённых аппаратов из-за своего небольшого веса и общедоступности. И если ещё лет 10 назад инверторы были дороги и не очень надёжны, то сейчас эти недостатки устранены. Использование инверторной методики даёт сегодня уменьшение размеров трансформатора, повышение качественных свойств дуги, оптимизации КПД, снижение разбрызгивания металла при сварке.

Сварочный инвертор состоит из силового трансформатора, назначением которого является снижение сетевого напряжения до нужной величины, блока электросхем и дросселя-стабилизатора, нужного для минимизации пульсаций тока.

Напряжение питающей сети подаётся в инверторе на выпрямитель, на выходе которого блок схем трансформирует постоянный ток в переменный, обладающий высокой частотой. Этот, полученный на выходе силового блока, переменный ток подаётся на сварочный трансформатор высокой частоты, более компактный и лёгкий, чем обычный сетевой преобразователь. Напряжение на выходе сварочного трансформатора снова выпрямляется и подаётся на дугу.

Аргонодуговой сварочный аппарат

Этот вид оборудования для сварки использует специальные неплавящиеся электроды из вольфрама, газом для защиты служит гелий или аргон.

Аргонодуговой аппарат с использованием вольфрамового электрода содержит следующие компоненты:

• источник, обеспечивающий получение постоянного или переменного сварочного тока;
• приспособление регуляции для работы с током;
• комплект горелок для применения с различными напряжениями;
• управляющая схема, обеспечивающая координацию цикла сварки и защиту;
• стабилизирующее устройство для возбуждения, а также выравнивания дуги.

Агрегаты этого вида применяют, если есть необходимость в качественной сварке цветных металлов.

Аппарат для точечной сварки

Сварка точечным способом является одним из видов контактных сварок термомеханического класса. Сам процесс состоит из нескольких моментов. Для начала детали, сложенные необходимым образом, помещаются между электродами и сжимаются друг с другом, после чего нагреваются до момента достижения пластичности и совместно деформируются. Скорость сварки в условиях завода — до 10 точек в секунду.

Детали разогреваются при помощи мгновенного (0,01–0,1 сек.) импульса тока сварки. Этот быстрый импульс даёт возможность достичь разогрева металла до расплавления, что приводит к возникновению объединённой для обеих деталей жидкой зоны. После прекращения действия тока детали по-прежнему совмещены, прижаты друг к другу до снижения температуры и отвердевания расплавленной точки. Сжатие деталей прекращается с задержкой по времени, для создания условий лучшей кристаллизации металла.

Достоинствами точечной сварки можно выделить экономичность, надёжность и прочность шва, несложность достижения автоматизации. К сожалению, подобного вида сварочный шов не обладает герметичностью, что ограничивает сферу его использования.

Аппарат для газовой резки и сварки

Газовая сварка предполагает нагрев детали до расплава пламенем высокой температуры. При этом применяются горючие газы — водород, природный газ, ацетилен. Отличительным свойством этих газов является хорошее горение на воздухе. Чаще всего в газосварочных аппаратах используют ацетилен, легко получаемый с помощью карбида кальция и воды. Температура горения этого газа 3200–3400 °C.

Достоинства газовой сварки и резки металлов:

1. Несложная технология.
2. Не требуется доступ к электрической сети, нет необходимости в использовании электрического тока.
3. Оборудование, на базе которого выполняется сварка, достаточно несложно.

Следует, однако, отметить, что газовая сварка не обеспечит высокую скорость работ и производительность, ведь выполняется лишь вручную.

Серьёзное внимание при газовой сварке уделяется подготовке деталей, регулированию мощности горелки, установке её в нужное положение.

Плазменная сварка

Плазменная сварка (резка) металлов — операция, в ходе которой происходит расплавление металла потоком плазмы. Плазма — это газ, в составе которого содержатся заряженные частицы, проводящие электрический ток. Газ ионизируется путём нагрева дугой, выходящей из плазмотрона. Чем более высокую температуру будет иметь газ, тем выше ионизация. Температура дуги в аппаратах плазменной сварки достигает десятков тысяч градусов.

Технология такая: к горелке в быстром темпе подаётся газ и электрический ток для формирования дуги. Резка происходит не только из-за расплавления металла, но и за счёт того, что скоростной ионизированный поток вымывает металл из зоны действия плазмы.

Кроме знания того, какие бывают сварочные аппараты, при выборе следует учитывать потребности пользователя. И если в автомастерской или на производстве может понадобиться профессиональный аппарат, то для бытовых нужд достаточно недорогого прибора.