Trochu o svářečkách v každodenním životě obyčejného člověka a proč jsou potřeba / Habr

Svařování je jedním z unikátních způsobů spojování kovových součástí. V celosvětovém měřítku roste objem svářečských prací a výroba odvozených produktů s jejich pomocí rychleji než výroba kovů v továrnách.

Malý spoiler: dále si povíme pouze o invertorových svářečkách pro svařování elektrodou. Jiným typům svařování se nebudeme věnovat.

Důvodem je vysoká pevnost výsledného spojení, které svými fyzikálními vlastnostmi prakticky neodpovídá původnímu kovu: pokud jsou splněny požadavky na specifický technologický proces, může pevnost spojení dosáhnout asi 90 % původního kovu a při použití speciálních technik až 100 %.

Získání takového spojení je však poměrně složitý technický úkol, protože je nutné rychle a výrazně zvýšit teplotu v malém objemu, dokud se spojované části neroztaví a nevytvoří tzv. svarovou lázeň. Věc je dále komplikována skutečností, že kov má vysokou tepelnou vodivost a teplo se aktivně přerozděluje z topné zóny po celém objemu spojovaných částí.

Pro tento typ svařovacích prací se používají speciální zařízení, která jsou schopna převést vysoké napájecí napětí ze sítě na nízké napětí používané pro svařování a navíc poskytují dostatečně vysoký proud pro úspěšný průběh tohoto procesu.

V posledních přibližně 20 letech (podle autorovy paměti, a to i přesto, že se vyrábějí přibližně od 80. let minulého století) se stále více rozšířily tzv. „svařovací invertory“. Jsou to lehká a kompaktní zařízení (přibližně o velikosti listu A4 a hmotnosti asi 2,5–3,5 kg), která se příznivě srovnávají s předchozí generací svařovacích měničů, reprezentovanou transformátorovými zařízeními.

Mnozí, zejména ti ze starší generace, si pravděpodobně pamatují obrovské a těžké „truhly“ sahající téměř po pas a vážící 40–60 kilogramů, které si donedávna amatéři kvůli nedostatku takových systémů v prodeji montovali sami. Měl je v garážích téměř každý druhý automobilový nadšenec.

Hořící elektrické rozvody a blikající světla ve všech sousedních čtvrtích během svařování byly častými společníky takových zařízení.

Naproti tomu moderní invertorová zařízení mohou snadno a bez námahy fungovat i z domácí elektrické sítě (například jako autor tohoto článku) a nedochází k žádnému blikání světel ani hoření elektrického vedení, a to ani zdaleka nepozorovatelně.

Samozřejmě také velmi záleží na síle proudu, při kterém se svařování provádí. Například když potřebuji provádět svářečské práce, svařuji elektrodou – tzv. „dvojkou“ s průřezem 2 mm.

V tomto případě je výstupní proud nastaven na 70 A (tj. na základě 35 A na milimetr průřezu). Pokud jsem se dozvěděl (možná se mýlím), takové střídače mají převodní faktor proudu přibližně 4,5 a podle toho bude v mém případě odběr ze sítě přibližně 70/4,5 = 16,7 A.

I když ze zkušenosti víme, že pokud je ruka již „nastavena“ a cítíte proces, pak lze sílu proudu dokonce poněkud snížit, aby se snížilo stříkání roztaveného kovu – tímto způsobem se to ukáže ještě úhlednější, šev je rovnoměrnější (a můžete také přepnout polaritu na opačnou, aby bylo méně stříkání – více o tom níže).

Princip činnosti svářecích invertorů je založen na skutečnosti, že napájecí napětí ze sítě vstupující do zařízení je nejprve usměrněno a poté je tento usměrněný proud přiváděn do tranzistorů s vysokou spínací rychlostí (až 100 kHz), kde se v důsledku těchto přepínání rozdělí na segmenty, tj. v podstatě začne představovat obdélníkový tvar, a poté je tento přerušovaný proud přiváděn do transformátoru, po kterém se přemění na střídavý pulzní proud, rovněž obdélníkového tvaru.

Poté je tento proud vyhlazen tlumivkou a vysoká frekvence proudu umožňuje použití menšího transformátoru – například pro dosažení svařovacího proudu 160 A vyžaduje invertorové zařízení pouze transformátor o hmotnosti 250 g, zatímco u konvenčních zařízení by to vyžadovalo transformátor o hmotnosti 18 kg, a obecně lze říci, že v průměru na každých 1 A proudu váží invertorové zařízení asi 0,022 kg (nebo 3,52 kg pro stejných 160 A, což je velmi atraktivní).

Mimochodem, ohledně proudu. Navzdory rozšíření střídačových stejnosměrných zařízení existuje i podtyp se střídavým proudem, který je schopen produkovat takový proud sinusového a obdélníkového tvaru.

Taková zařízení mají řadu výhod, jednou z nich je stabilnější teplota oblouku, což má za následek kvalitnější svarový spoj. Také díky vysoké frekvenci dochází ke zpomalení pohybu nabitých částic v oblouku, ty se déle nacházejí ve výbojové mezeře, což obecně v důsledku zahájení ionizace dále stabilizuje celý proces.

Navíc v důsledku neustálé změny polarity se zmenšuje velikost kapiček roztaveného kovu přenášených z elektrody na materiál, jako by se „rozstřikovaly“, což nám po ztuhnutí umožňuje dosáhnout kvalitnějšího svaru díky rovnoměrnější velikosti zrna kovu.

Další zajímavý bod ohledně polarity: svařování lze provádět jak v přímé, tak v obrácené polaritě (to platí zejména pro domácí invertorové svářečky s konstantní polaritou).

To znamená, že při přímé polaritě je svařovací elektroda připojena k mínusovému pólu a svařovaný kov k plusovému. Tato metoda umožňuje, aby se kov zahřál mnohem více než elektroda a zůstal chladnější. Tato metoda poskytuje větší hloubku tavení kovu a oblouk je mnohem stabilnější, což umožňuje dosáhnout dobrého svaru. Nevýhodou této metody je zvýšené riziko tavení tenkých dílů.

Na rozdíl od výše uvedeného je při obrácené polaritě elektroda připojena k plusu a kov k mínusům. Při tomto přístupu se elektroda taví mnohem rychleji a kov se taví méně, samotný šev je širší a méně hluboký a oblouk je obecně méně stabilní.

Další důležitou vlastností invertorových zařízení je, že jsou menší než zařízení stejnosměrného proudu, protože jejich konstrukce vylučuje výstupní usměrňovač a obecně lze říci, že jejich výkon převyšuje zařízení stejnosměrného proudu.

Provoz celého invertorového systému jakéhokoli typu je řízen elektronickým obvodem, který dynamicky upravuje indikátory, pokud se odchylují od zadaných hodnot, a úprava se provádí rychle, během milisekund, což zajišťuje rychlé provádění relativně složitých algoritmů.

Například téměř každý invertor má funkci „horkého startu“, kdy je dodáván maximální proud; „anti-stick“ – kdy je proud snížen na minimum, když se elektroda dotkne součásti, aby se zabránilo přilepení elektrody; „arc forced“ – umožňuje zabránit přilepení, když je elektroda ponořena do svarové lázně (tj. roztaveného tekutého kovu), zatímco síla proudu se krátkodobě zvýší, aby se zabránilo přilepení elektrody a usnadnil se přenos kovu z ní – do již roztavené hmoty.

Pro spolehlivé zapálení oblouku ve svařovacích invertorových zařízeních lze použít různé přístupy, jejichž hlavní podstatou je počáteční ionizace výbojové mezery. K tomuto účelu se používá: zvýšení klidového napětí; v počátečním období pro iniciaci oblouku – průraz výbojové mezery vysokonapěťovými impulsy ze speciálního generátoru; a dokonce iniciace slabým laserovým paprskem.

Regulace proudu se provádí pomocí trvání a frekvence pulzů (tj. používá se PWM řízení).

Invertory se vyznačují nízkými pulzacemi svařovacího proudu, protože tyto vysokofrekvenční pulzace lze snadno filtrovat pomocí tlumivky a kondenzátoru, na rozdíl od nízkofrekvenčních pulzací standardního transformátorového svářecího stroje.

Nejnovější generace svářecích invertorů je vyrobena s použitím IGBT tranzistorů, což jsou bipolární tranzistory s izolovanou hradlou, které fungují jako výkonné spínací zařízení, v němž polní tranzistor na vstupu řídí výkonný bipolární tranzistor, který následně řídí zátěž.

Z hlediska návrhu obvodů se svařovací střídače vyrábějí podle tří hlavních schémat:

Obrázek: E.M. Tausenev, V.V. Ivanaysky, A.S. Shaikhudinov – „Invertorové svařovací stroje“

Účinnost invertorových zařízení dosahuje 90 % oproti 75–80 % u konvenčního typu a jejich hmotnost je 4–6krát menší než u standardních (tj. transformátorových s diodovými usměrňovači).

Invertorové svařovací stroje však mají i nevýhody, jednou z hlavních je vysoká složitost zařízení, což vede ke snížení údržby.

Kromě toho jsou svářecí invertory dražší než transformátorové svářečky a vysoká frekvence provozu vede ke vzniku specifického vrzání. Pokud jde o druhé, je třeba poznamenat, že se s tím lze úspěšně potýkat zvýšením frekvence a jejím posunutím mimo slyšitelný rozsah, tj. nad 20 kHz.

Mimochodem, s tímto problémem jsem se musel osobně vypořádat při vytváření projektu pro rádiem ovládaná auta: PWM napájení trakčních motorů vydávalo poměrně hlasité vrzání, které okamžitě „zmizelo“, když se frekvence zvýšila nad 20 kHz.

Odpovím na hlavní otázku, která pravděpodobně čtenáře trápí v celém článku: proč, striktně vzato, potřebujete svářečku v městském bytě, když nepracujete jako svářeč?

Dám vám jednoduchou odpověď: v první řadě je to dobré pro lidi, kteří jsou „přátelští“ k rukama a rádi si věci dělají sami, tedy pro kutily.

Například dříve, když jsem potřeboval něco sestavit, dělal jsem totéž co mnoho jiných: šel jsem do železářství, koupil jsem si hliníkové nosníky, trubky a zkusil jsem to všechno sešroubovat šrouby, přičemž jsem nejdřív vyvrtal otvory vrtačkou.

Během tohoto procesu obvykle naděláte hodně hluku, trpíte a nakonec získáte poměrně kontroverzní design: kvůli přirozené měkkosti kovu (hliníku) to vše zpravidla špatně odolává fyzické zátěži a přirozeně se časem uvolňuje a stává se volným.

Zkrátka jsem utratil čas a peníze a nakonec jsem dostal něco nepochopitelného.

A úplně jiná věc je, když používáte svářečku: kov je u ní levnější, pevnost samotného kovu i výsledného spojení se s předchozí možností ani nedá srovnat. Stačí párkrát „píchnout“ a vydrží to „po staletí“. To se mi líbí :-)

Práci lze provádět i doma. Například pokud je v koupelně na podlaze dlažba, položte na ni kovovou nádrž a vše proveďte správně v ní, protože drtivá většina domácích prací vyžaduje použití svařování ve velmi malých objemech.

A funguje to docela dobře, nic kolem není poškozené, jen kouř ze svařování, ale to je v pohodě, dá se to vydržet… Mimochodem, docela rychle se to odpařuje a voní to jako hořící prskavky.

Níže uvádím pár fotek mého zařízení – nejdříve jsem vyfotil vnitřek, ale pak jsem si to rozmyslel a nechal jsem to zveřejnit, abych neurazil výrobce. Takže mi to nezazlívejte. Místo toho doporučuji shlédnout toto video:

Na fotografiích jsem vedle zařízení umístil list A4, abych pochopil rozměry zařízení (klikatelné):

Ale přesto se ptáte: k čemu se to dá doma použít? Vyjmenuji případy, se kterými jsem se setkal:

Případ 1: Moje máma si jednou koupila posilovací stroj na břišní svaly, kde posilovacími prvky byly malé gumičky po stranách, které se musely natahovat („facepalm“ je jen otázkou, jaké technické řešení).

No a samozřejmě, po velmi krátké době se tyto pásky přetrhly a simulátor stál nečinný. Vzal jsem a přivařil šroub se závitovými pouzdry našroubovanými na obou stranách tohoto simulátoru, kam jsem zase připevnil standardní úchyty plynových tlumičů z auta, koupených v obchodě s autodíly (no, víte, ty černé plynové tlumiče, co pomáhají otevírat kufr).

Ukázalo se to docela dobře: teď je třeba tyto tlumiče stlačit a uvolnit, což dává lisu velmi značnou a příjemnou zátěž. Trvanlivost takové konstrukce je samozřejmě také o hlavu a ramena vyšší než nešťastná gumička Bohužel neexistuje žádná fotka, nemohu ji ukázat. Poznamenám jen, že tato konstrukce je již asi sedm let stará a věrně slouží každý den a ani nepomyslí na to, že by se zlomila (stejně jako uvolnila):

Případ 2: Koupil jsem si umyvadlo do koupelny a potřeboval jsem ho zavěsit, ale výrobce to nedomyslel do konce a přidal závitové svorníky pro zavěšení umyvadla, které nemají žádné zařízení pro zašroubování do zdi – tedy na jedné straně je závit podobný šroubu a na druhé straně závit podobný šroubu. Pro šroubování tam není žádné opatření :-)))

Na tento závit šroubu jsem jednoduše našrouboval matici, párkrát ji „píchl“ svarem a získal jsem velmi praktický šroub, který jsem pak bez problémů (pomocí příslušné hmoždinky atd.) zašrouboval do zdi.

Případ 3: Koupil jsem si 3D tiskárnu, jejíž veškerá elektronika byla umístěna přímo pod topným stolem a přehřívala se s odpovídajícím převisem. Musel jsem ji přesunout na horní část tiskárny, pro kterou jsem rychle vyrobil odpovídající montážní konstrukci z obdélníkové ocelové trubky. To vše bylo provedeno již v roce 2017 a, jak asi tušíte, za tolik let se nic neuvolnilo, neodlomilo ani nerozpadlo (i když tiskárnu neustále tahám z úložného prostoru na balkon, kde tiskne). Tedy, jednou jsem strávil čas a na tento problém jsem navždy zapomněl:

Poznámka, trochu mimo téma: pokud by někoho zajímalo, jak držím ventilátor, který fouká na základní desku 3D tiskárny na fotce výše – jednoduše jsem ho přilepil na hromadu neodymových magnetů ve tvaru O a to je vše. Dopadlo to dobře a s minimální námahou.

Případ 4: Jednou se mi pod počítačovou židlí zlomil ocelový plech (no jo, rád se v ní houpám, můj hřích). Pár sváření – a židle vypadala, jako by včera vyjela z továrny

Ve skutečnosti takových případů bylo poměrně dost, jmenoval jsem jen několik z nich.
Svářet jsem se naučil poměrně rychle a se zkušenostmi jsem se naučil svařovat i tenké plechy a ocelové trubky – jinak bych je propálil, kdybych oblouk držel příliš dlouho na jednom místě (tehdy, když jsem tyto věci svařoval, jsem ještě nevěděl o možnosti změny polarity, žij a uč se).

Pro snazší svařování budete také potřebovat masku. Já jsem si například vzal tzv. „chameleonovu masku“, kde je ochranné sklo neustále průhledné a okamžitě ztmavne, když se objeví jasné světlo (rychlost ztmavování lze nastavit).

Toto sklo je napájeno dvěma zdroji: vestavěnou baterií, která je neustále dobíjena fotobuňkou (chtěl jsem napsat „solární baterií“, ale z nějakého důvodu jsem o tom pochyboval, protože by to zde znělo divně), umístěnou přímo na přední části masky – poměrně originální technické řešení, kdy fotobuňka nabíjí baterii ze světla horkého oblouku.

Nyní, po mnoha letech vlastnictví svářečky, můžu rozhodně říct – tohle je nutnost, i když nejste svářeč. Nepřekvapuje nás přítomnost páječky v městském bytě, a to je ve skutečnosti stejná páječka jen „na maximální nastavení“

Teď chci i poloautomatickou svářečku (tu s drátem). Výhody: svařovací zóna je ofukována CO2 – proto není potřeba tavidlo (nátěr elektrody), šev je čistý a nemusí se později oklepávat, a co je ještě důležitější – šev je okamžitě viditelný bez oklepávání tavidla. Díky tomu můžete okamžitě vizuálně kontrolovat kvalitu své práce. Navíc tenký průměr svařovacího drátu činí svařovací místo velmi lokálním, bez přehřátí celé součásti, a co je také zajímavé, s poloautomatem se svařuje snadněji, protože se snáze naučíte nepropalovat tenké plechy (proto s ním autoservisy svařují jen rezavá auta). Jeden problém – potřebujete lahev s CO2. A skladovat ji v bytě nebo na balkoně je trochu přehnané. Takže se k tomu všemu nedostanu. Ale uvnitř mě je silný boj a jednoho dne. :-)))

I když existuje trik – nepoužívat obrovskou láhev s CO2 o lidské velikosti, ale kompaktní – z hasicího přístroje na oxid uhličitý, takže existují možnosti, když se nad tím zamyslíte.

Pokud by se někdo chtěl podrobněji zabývat vlastnostmi obvodů a konstrukčními prvky, doporučuji přečíst si knihu: V. Ya. Volodin – „Jak opravit svářecí stroje vlastníma rukama“.

P.S. Obrázek v záhlaví článku ukazuje svařování poloautomatem, já vím. Je to prostě krásná fotka – nemohl jsem si ji nechat ujít

▍ Seznam použitých zdrojů

1. E.M. Tauseněv, V.V. Ivanaysky, A.S. Shaikhudinov – „Invertorové svařovací stroje.“
2. S.L. Koryakin-Chernyak – „Příručka svářeče: pro amatéry a nejen pro amatéry.“

V posledních letech se invertorové svářečky velmi rozšířily. Jsou lehké, kompaktní, relativně levné a schopné provozu z běžné domácí zásuvky 220 voltů. Našly široké uplatnění nejen v soukromých domácnostech a garážích, ale i v malých a středních podnicích. Jejich kvalita a spolehlivost (samozřejmě ne všechny) často nechávají mnoho prostoru pro zlepšení. Nestabilita napájecí sítě, nízká kvalita použitých komponentů (nejlevnější Čína) a drsné provozní podmínky vedou k selhání jejich elektronické „náplně“, jejíž oprava může být velmi drahá.

Tréninkový program

teorie a praxe
OPRAVY SVÁŘEČÍCH STROJŮ
Získané dovednosti

Cílem našeho kurzu je zaplnit určitou mezeru ve znalostech v oblasti topologie a obvodů invertorových svářecích strojů (svařování obalenou elektrodou MMA) a naučit téměř kohokoli samostatně diagnostikovat a řešit problémy s těmito zařízeními.

Opravy pulzní výkonové elektroniky obecně, a zejména svařovacích střídačů, mají určité vlastnosti a specifika. Proto se do jejich oprav nepouštějí všichni profesionální elektroničtí inženýři, nemluvě o radioamatérech.

Získané znalosti a praktické zkušenosti se vám budou hodit i při opravách dalších pulzních zařízení. Například počítačových napájecích zdrojů, různých nabíječek, telefonů, tabletů, notebooků, šroubováků a autobaterií.

A ještě jeden malý bonus; není žádným tajemstvím, že 80 % všech poruch monitorů a televizorů se také děje kvůli závadám v pulzních napájecích zdrojích. A protože během školení v našem kurzu bude podrobně a srozumitelně vysvětlena topologie konstrukce různých pulzních napájecích zdrojů (které jsou součástí svářecích strojů), pak bude i zjištění napájení televizoru nebo monitoru zcela ve vašich silách.

• úvod
• Přehled a princip činnosti invertorových svařovacích strojů;
• Různé typy invertorových svářecích strojů a jejich vlastnosti;
• Postupy předprovozní a poprovozní kontroly svářecího stroje;
• Bezpečnostní opatření během diagnostických a opravárenských prací;
• Zařízení invertorového plazmového řezacího a svařovacího přístroje;
• elektronika
• Základní pojmy a definice v elektrotechnice;
• Kirchhoffovy zákony a jejich aplikace;
• Výpočty proudu, napětí a odporu;
• Výkonová pulzní elektronika (základní principy a princip činnosti);
• Měniče AC/DC a DC/DC, topologie obvodu;
• Struktura svařovacího invertoru (dále jen SI). Blokové schéma;
• Studium základních součástek, jako jsou řídicí desky, tranzistory, diody, kondenzátory atd.;
• Projednání základních schémat zapojení měřicího přístroje blok po bloku;
• Přečtení základního schématu měřicího přístroje na příkladu nejběžnějšího svářecího stroje (Resanta);
• Diagnostika a opravy
• Definice a nastavení základních parametrů, jako je frekvence, amplituda, šířka impulzu atd.;
• Kontrola a seřízení obvodu zpětné vazby;
• Identifikace různých typů poruch invertorových svářecích strojů;
• Použití multimetru a dalších diagnostických nástrojů;
• Metody odstraňování problémů a výměna součástí;
• Typické poruchy a jejich projevy při provozu měřicích přístrojů;
• Diagnostika obvodu pomocí osciloskopu;
• Kontrola a výměna elektronických součástek, pájení SMD součástek;
• Závěr
• Praktické otestování schopnosti diagnostikovat a opravovat závady;
• Vydání osvědčení o dalším vzdělávání za úspěšné absolvování kurzu.

Školicí program zahrnuje teoretické znalosti i praktické dovednosti v oblasti oprav a údržby invertorových svářecích strojů. Kurz bude užitečný pro technické specialisty pracující ve svářečském průmyslu, ale i pro všechny, kteří si přejí zvládnout toto povolání a získat příslušný certifikát.