Как выбрать сварочный аппарат: советы профессионала

«Предмет изобретения составляет способ соединения и разъединения металлов действием электрического тока… основанный на непосредственном образовании вольтовой дуги между местом обработки металла, составляющим один электрод, и подводимой к этому месту рукояткою, содержащею другой электрод, и соединённой с соответственным полюсом электрического тока. С помощью этого способа могут быть выполнены следующие работы: соединение частей между собой, разъединение или разрезывание металлов на части, сверление и производство отверстий и полостей и наплавление слоями.»

Вот такое было описание первого патента, «привилегии» на сварочный аппарат . В Департамент торговли и мануфактур обратился ещё мало известный инженер Н. Н. Бенардос. Шёл 1886 год.

Н.Н. Бенардос и Н.Г. Славянов

Слева: Николай Николаевич Бенардос. Справа: Николай Гаврилович Славянов

Люди знакомы с металлами уже несколько тысяч лет — оружие, украшения, домашняя утварь, предметы обихода. Мы плавили, ковали, и даже научились штамповать, но строить из него мы начали много позже, когда на смену чугуну пришла сталь. Элементы домов, мосты, котлы, корабли, паровые машины, трубопроводы, автомобили — сейчас сталь составляет около 90% всего потребляемого металла. Чёрная металлургия во второй половине девятнадцатого века выдала первые успешные плавки высококачественного конструкционного материала. Тогда нужно было научиться соединять крупные детали максимально надёжно, заклёпки и болты уже не справлялись с поставленной перед ними задачей. Николай Николаевич Бенардос в 1882 году изобрёл «Электрогефест» — дуговую электрическую сварку металлов угольным электродом. В 1886 году им была получена «привилегия» на сварочную технологию.

Патент на дуговую электросварку «Электрогефест»

Патент на дуговую электросварку «Электрогефест»

В 1888 году Николай Гаврилович Славянов публично продемонстрировал дуговую сварку плавящимся электродом со слоем флюса, так называемую электрическую отливку металлов. Инженер доказал, что, кроме всего прочего, дуговая технология позволяет работать не только с чёрным металлом, но и с различными цветными металлами и сплавами. В 1905 году сварку подключили к трёхфазному току — во всём мире начали варить в промышленных масштабах.

Как работает сварка? Немного теории

Дуговая сварка получила широчайшее применение, так как технология позволила производить неразъёмное соединение металлов, причём шов по прочности не уступает массиву материала. Это обстоятельство объясняется непрерывностью образованных структур и наличием молекулярных сцеплений между деталями.

В основе процесса лежит воздействие высокой температуры. Теоретически, подобные межатомные соединения материалов можно получить приложением высокого давления (механический метод). Но этот финт годится только для мягких металлов, типа свинца, а в случае с твёрдой сталью требуется плавление.

Электрическая дуга

Подходящий температурный режим в несколько тысяч градусов может обеспечить электрическая дуга. По сути, это короткое замыкание между двумя достаточно приближенными друг к другу электродами. Напряжение, подаваемое на электроды, увеличивают, пока не произойдёт пробой воздуха, который является изолятором. Пробой является эмиссией электронов одного из них (катода), которые, разогреваемые током, выходят и движутся к ионизированным атомам второго (анода). Дальше всё происходит очень быстро: появляется искрение (разряд) — электрическая цепь импульсно замыкается — воздух зазора ионизируется — образовывается плазма (особое состояние газа) — сопротивление воздушной прослойки падает — ток усиливается ещё больше — дуга разогревается, становится проводником и замыкает цепь. Этот процесс называется «розжигом» дуги. Теперь остаётся её стабилизировать, это делается установлением необходимого расстояния между электродами и поддержанием заданных характеристик энергоснабжения.

Схема возникновения сварочной дуги

Схема возникновения сварочной дуги: 1 — короткое замыкание; 2 — образование жидкого металла; 3 — образование шейки; 4 — возникновение дуги; 5 — свариваемый металл; 6 — электрод; 7 — сварочный аппарат 

Процесс сваривания металлов

Электрическая дуга при металлообработке может действовать «косвенно» — если она организовывается между независимыми от основного металла электродами. Но чаще дуга разжигается «прямо» — между деталью, которая является частью электрической цепи, и электродом (для этого сварщик «крокодилом» подключает «массу»). Итак, от сварочного аппарата ток (переменный или постоянный) подводится к заготовке, дуга разгорается и своим теплом оплавляет кромки свариваемых деталей. Образуется так называемая «сварочная ванна», где металл некоторое время находится в жидком состоянии. Сюда же попадает расплав, капающий с торца стержня электрода, а его горящее покрытие обеспечивает газовую защиту вокруг дуги (о ней будет далее) и текучую шлаковую ванну. По мере удаления дуги от рабочей зоны, металл отвердевает, и формируется шов, а на его поверхности образуется панцирь, корка из всплывшего шлака.

Ручная дуговая сварка

Ручная дуговая сварка: 1 — свариваемые детали;  2 — защитная атмосфера; 3 — сварочная ванна; 4 — дуга; 5 — капли расплавленного электрода; 6 — стержень электрода; 7 — покрытие электрода

Сварочные проблемы и их решение

Это мы упрощённо рассмотрели распространённую технологию, при которой применяется плавящийся стержень-электрод или проволока-присадка, но бывают варианты и с неплавящимся электродом (угольный, графитовый, вольфрамовый) — например, при аргоновой сварке, где шов заполняют отрезками плавящейся проволоки. Вообще, выбор правильного электрода, как и способа сварки — дело крайне важное, от которого зависит, будет ли шов достаточно надёжным, будет ли он по своим механическим свойствам соответствовать основному металлу. Речь идёт не о диаметре, хотя и тут нужно думать, так как не всё зависит от толщины (ещё важна специфика материала, форма кромок деталей, характер энергии, пространственного положения сваривания). Электроды и проволока различных марок могут в той или иной степени лучше подходить для работ с различной «длиной» дуги, «глубиной» проплавления. Их обмазка/шихта может не только кардинально влиять на процесс сварки, но и менять свойства шва, его химический состав.

Сварочные электроды

В процессе сварочная ванна должна быть защищена от воздействия воздуха, чтобы исключить окисление металла. Для этого в рабочей зоне создают особую среду. Есть два варианта действия. Первое — технология MIG-MAG, когда из специального баллона подаётся газ (аргон, гелий, CO2). Второе — сжиганием обмазки электрода, при которой образуется защитный шлаковый или шлакогазовый «купол». Электродные покрытия при горении связывают кислород и выводят его из шва. Кроме этого, содержащиеся в них вещества помогают ионизировать дугу (стабилизируют, упрощают розжиг), легируют и рафинируют металл шва, вносимыми веществами улучшая его физические свойства.

Сварка MIG/MAG

Сварка MIG/MAG: 1 —  свариваемый металл; 2 — газовая защита; 3 — сварочная ванна; 4 —  сварочная дуга; 5 — электродная проволока; 6 — контактная трубка; 7 — газовое сопло

Сварка является довольно капризным процессом с точки зрения стабильности электроснабжения, ибо требуемый температурный режим напрямую зависит от параметров тока. Для получения качественного результата здесь нужно обеспечить устойчивость электрической дуги. Только стабильная дуга позволит избежать появления дефектов шва, особенно в начале и конце сваривания (розжиг и затухание). Выходит, что важнейший момент — характеристики тока, подаваемого от источника. Чем массивнее свариваемые детали, тем глубже должно быть плавление, тем большего диаметра применяют электрод, и больше мощности и силы нужно для работы. Выбор силы тока всегда актуален для оператора (зачастую её удаётся определить лишь опытным путём), иногда она регулируется в процессе, в некоторых случаях — жёстко фиксируется. Есть одна особенность: дуга, получаемая от источника постоянного тока, горит стабильнее, без прерываний. От «постоянной» энергии нет смены полярности, образуется меньше брызг металла, шов получается во всех отношениях качественнее. А вот сварка переменным током является несколько сложнее, так как необходимо иметь серьёзные навыки в поддержании оптимальной дуги, добиться высокого качества в этом случае — очень непросто. Однако, в отличие от других материалов, алюминий и его сплавы «любят», когда их варят переменным током.

Как выбрать сварочный аппарат: советы профессионала

Заметим, что человеческий фактор в процессе сваривания металлов стоит на первом месте. Кроме выбора режима работы и типа присадки, мастеру необходимо зажечь и поддержать дугу, выбирая её длину, он должен правильно перемещать электрод (и дугу) по линии наложения шва, плавно расплавляя кромки деталей. Во многом именно от твёрдой руки сварщика зависит, насколько чётко будет распределён расплав, насколько красивым, однородным и прочным будет шов.

Основные типы сварочных аппаратов

Практически любой источник питания для сварки металлов дугой должен принять электроэнергию из сети и понизить её напряжение, увеличивая силу тока до нужной отметки (100–200 А), нередко меняя частоту тока или делая его постоянным. Некоторое исключение составляет производство дуги током аккумуляторных батарей и генераторов с ДВС. То есть любой сетевой сварочный аппарат, по сути, является преобразователем энергии. Есть несколько видов агрегатов для дуговой сварки, и все они имеют свои технические особенности, свои преимущества и недостатки.

Инверторы

Это самые молодые и перспективные сварочные аппараты, которые серийно выпускаются только с 80-х годов прошлого века — выпрямители с транзисторным инвертором. В таких источниках электричество несколько раз меняет свои характеристики. Сначала он выпрямляется, проходя через полупроводник, затем сглаживается специальным фильтром. Постоянный ток со стандартной сетевой частотой 50 Гц преобразуется снова в переменный, но уже с высокой частотой (десятки килогерц). После частотного инвертирования ток попадает на миниатюрный трансформатор, где снижается его напряжение и повышается сила тока. Далее в дело вступает высокочастотный фильтр и выпрямитель — для образования дуги на электроды подаётся постоянный ток.

Конструкция сварочного инвертора

Главной изюминкой инвертора является именно увеличение частоты тока, что в итоге позволило выиграть борьбу с массой и габаритами (IMS TIG 200 HF AC/DC). Но это далеко не все плюсы:

  1. Высокий КПД источника (85–95%), имеем очень малые потери энергии, процесс — экономичный. Инвертор можно запитать от обычной бытовой розетки.
  2. Большое время непрерывной работы.
  3. Широта регулировок силы тока (например, Deca MMA Starmicro 180 — от 5 до 150 А), что даёт возможность применить большой ассортимент электродов, в том числе даже сверхтонкие.
  4. Ток и напряжение регулируются плавно.
  5. Режим работы контролируется управляющими схемами, микропроцессорами — дуга легко разжигается и хорошо стабилизируется (ERGUS C 201 CDi0999).
  6. Имеется защита от перепадов напряжения.
  7. Сварной шов получается высокого качества во всех пространственных положениях, минимизируется разбрызгивание расплава.
  8. Возможно соединение трудносвариваемых материалов.
  9. Повышенная электробезопасность.
IMS TIG 200 HF AC/DC

IMS TIG 200 HF AC/DC

Недостатков у современных инверторов немного:

  1. Высокая стоимость агрегата, которая в разы отличается от трансформаторных источников. Недёшево обходится и ремонт инвертора. Например, при выходе из строя блока силовых транзисторов IGBT — проблема потянет на треть или на половину стоимости нового сварочного аппарата.
  2. Инвертор болезненно реагирует на проникновение в корпус пыли, которая регулярно затягивается работающими кулерами охлаждения. Металлическая пыль, например, от работы болгарки, может вызвать замыкание токоведущих элементов, поэтому агрегат нужно часто продувать воздухом, или очищать мягкой щёткой, особенно в условиях стройплощадки или производства.
  3. Сложная электронная начинка инвертора чувствительна к влаге и низким температурам, которые могут вызвать выпадение конденсата. Возникают определённые сложности с работой в зимний период, актуальным является вопрос правильного хранения агрегата (холодный гараж тут не подойдёт).
  4. Возможно появление помех в основной сети.
Как выбрать сварочный аппарат: советы профессионала

Итак, инвертор контролирующими модулями максимально упрощает работу для неквалифицированного оператора, который без особого труда сможет выполнить поставленную задачу. В руках относительно опытного сварщика высокочастотный аппарат покажет высокое качество шва и хорошее быстродействие. Благодаря малому весу и скромным габаритам инвертор обеспечивает максимальную мобильность, потому если нужно много перемещаться на объекте — он просто незаменим. За компактность, особые функциональные преимущества, автоматизацию и обилие электроники — придётся расплачиваться денежными знаками.

Сварочные трансформаторы

Пока ещё это самый распространённый тип сварочных аппаратов. Такие машины недорого стоят, имеют простую конструкцию, они надёжны и неприхотливы (DECA DOMUS 210CU). Преобразование электрической энергии в этом устройстве производится с помощью солидного во всех отношениях силового трансформатора, который работает на стандартной сетевой частоте (50 Гц). Ток подготавливается механической регулировкой магнитного потока в составном сердечнике. Запитывая от сети первичную обмотку, мы намагничиваем сердечник, тогда на вторичной обмотке индуцируется переменный ток пониженного напряжения (уже не 220, а порядка 50–90 В) и увеличенной силой (100–200 А) уходит на организацию дуги. Тут многое зависит от количества витков на катушках вторичной обмотки, чем их меньше — тем ниже напряжение, и выше сила тока. Сила тока в сварочных трансформаторах регулируется, но делается это механически — перемещением вторичной обмотки на сердечнике (приближая обмотки, мы увеличиваем силовые характеристики).