Як працює зварювальний апарат?

Апарат для зварювання є, власне кажучи, пристроєм для живлення зварювальної дуги електричним струмом. Він бере електрику з мережі (однофазної 230 В або трифазної 400 В) і збільшує силу струму – до дуже високих значень, необхідних для зварювання металу.

Раніше у зварювальній справі використовувалися переважно трансформатори — відносно прості та недорогі апарати, що мають велику кількість недоліків (велика вага, великі розміри, нестабільність вихідного струму, «просідання» електромережі та непридатність до деяких видів робіт). Наразі вони майже повністю витіснені зварювальними апаратами з інверторними схемами живлення. У їх конструкції є діодні випрямлячі, блоки транзисторів із великою частотою комутації та високочастотні трансформатори зменшеного розміру. Через складнішу схемотехніку та велику кількість електроніки інверторні апарати для ручного та напівавтоматичного зварювання коштують дорожче, ніж класичні трансформатори. Але цей недолік з лишком компенсується поліпшенням характеристик зварювальної дуги, підвищенням якості зварних швів та можливістю більш тонкого та точного налаштування обладнання. Тому інверторні апарати найкраще підходять як для новачків, які роблять перші кроки у зварювальній справі, так і для досвідчених професійних зварювальників.

Сучасні зварювальні інвертори – це компактне портативне обладнання.

Види зварювання

Існують різні способи з'єднання металів зварюванням. Кожна технологія має свої переваги, недоліки та оптимальні сфери застосування.

Ручна дугове зварювання (MMA)

Зварювання з використанням штучних електродів, покритих спеціальною обмазкою, застосовується переважно для з'єднання деталей із вуглецевих сталей. Даний метод широко використовується для зварювання металоконструкцій та трубопроводів, а також з'єднання частин машин та механізмів.

Переваги ручного дугового зварювання:

  • невисока вартість обладнання та витратних матеріалів;
  • можна швидко освоїти технологію на рівні, достатньому для виконання простих задач;
  • роботи виконуються без використання балонів з газом.

Недоліки:

  • невисока продуктивність роботи порівняно з напівавтоматичним зварюванням;
  • якість і міцність зварного шва дуже залежить від навичок і компетенції зварювальника.
Процес ручного дугового зварювання.
Популярні зварювальні апарати для ручного дугового зварювання

Аргонно-дугове зварювання (TIG)

Зварювання в середовищі захисного газу з використанням неплавного (вольфрамового) електрода застосовується для з'єднання деталей, виготовлених з нержавіючої сталі, чавуну, кольорових металів (алюмінію, міді, титану, магнію, нікелю тощо) та сплавів на їх основі. Оскільки при зварюванні TIG електрод не плавиться, для формування та наповнення шва використовуються спеціальні присадні матеріали у вигляді металевих прутків або дроту, що підбираються під конкретну задачу.

Переваги аргонно-дугового зварювання:

  • можна варити практично будь-які метали та сплави;
  • технологія дає змогу акуратно варити тонкий метал та деталі складної форми;
  • забезпечуються висока якість зварювальних швів та міцність з'єднання.

Недоліки:

  • невисока продуктивність роботи через необхідність точно контролювати процес зварювання;
  • потрібні висока кваліфікація та гарний рівень підготовки зварювальника;
  • необхідність використовувати балон з аргоном, який підвищує вартість зварювання та обмежує мобільність.
Процес аргонно-дугового зварювання.
Популярні зварювальні апарати для аргонно-дугового зварювання

Напівавтоматичне зварювання (MIG/MAG)

При напівавтоматичному зварюванні, яке виконується в середовищі захисного газу, замість штучних електродів використовується дріт, який безперервно подається через зварювальний пістолет за допомогою протягуючого механізму. Одночасно з дротом через пальник подається захисний газ: інертний (аргон, азот або гелій), функція якого полягає у витісненні повітря, або активний (вуглекислий газ або кисень), що бере участь у зварювальному процесі. Також існує можливість зварювання без використання захисного газу, але для цього потрібен спеціальний порошковий (флюсовий) дріт.

Переваги напівавтоматичного зварювання:

  • можна варити різні види матеріалів (вуглецеві та корозійностійкі сталі, алюміній та деякі сплави на основі кольорових металів);
  • технологія дає змогу ефективно варити деталі різної товщини – від тонких листів до товстого металопрокату;
  • продуктивність роботи значно вища, ніж при використанні ручного зварювання.

Недоліки:

  • обладнання та витратні матеріали для напівавтоматичного зварювання MIG/MAG коштують дорожче, ніж апарати та електроди для MMA;
  • необхідність використовувати балони з газом, які обмежують мобільність та підвищують вартість роботи.
Процес напівавтоматичного зварювання.
Популярні зварювальні апарати для напівавтоматичного зварювання

Існують і інші технології зварювання: плазмове, точкове, лазерне, зварювання тертям або вибухом. Але навряд чи їх опис буде доцільним у статті, орієнтованій на зварювальників-початківців.

Зауважимо, що багато сучасних зварювальних апаратів є універсальним обладнанням. Наприклад, вони можуть одночасно мати байонетні з'єднання для дротів маси та електродотримача, які необхідні для ручного зварювання MMA, та роз'єм для підключення пальника, що використовується при напівавтоматичному зварюванні MIG/MAG. Подібні апарати, що дають змогу варити метал кількома різними методами, підійдуть зварювальникам, яким доводиться виконувати широкий спектр задач.

Приклад універсального зварювального апарату, що дає змогу займатися зварюванням MMA, TIG та MIG/MAG.

Максимальний струм зварювання

Максимальний зварювальний струм, який обов'язково вказується в характеристиках обладнання, є одним з ключових параметрів при виборі апарата для зварювання. Збільшуючи значення струму, можна глибше проварювати метал, робити ширші шви та використовувати товстіші електроди.

При виконанні зварювальних робіт потрібен такий струм, який забезпечить впевнене розпалювання електрода та його стабільне горіння, гарне прогрівання металу та достатню глибину зварювальної ванни. Наприклад:

  • Струм 80-100 А – підходить для роботи з електродами ∅ 2 мм, дає змогу варити дрібний фасонний прокат з металу, що має товщину близько 2 мм;
  • струм 120-140 А – дає можливість використовувати електроди ∅ 3 мм і варити металоконструкції з широко поширених куточків та профільних труб;
  • Струм 160-180 А – дає змогу варити металопрокат з товстими стінками, на зразок швелерів, використовуючи електроди ∅ 4 мм.

Слід пам'ятати, що при виборі зварювального апарату завжди слід брати пристрій із деяким запасом за максимальним струмом (близько 20% – 30%). В іншому разі обладнання працюватиме в режимі критичного навантаження, а це погано позначається на його надійності та довговічності.

Діапазон регулювання струму також має певне значення. Скажімо, для зварювання металу, що має товщину леза для гоління або стінки пивної банки, потрібно зовсім невеликий струм – близько 5 А. Навряд чи ви будете таким займатися, але буде непогано, якщо ваш апарат дасть змогу зменшувати значення зварювального струму хоча б до 30-40 А щоб не пропалювати метал при роботі з тонкою листовою сталлю або дрібнокаліберним металопрокатом.

Сучасні зварювальні апарати дають змогу точно налаштовувати робочі параметри.
Популярні зварювальні апарати з високим зварювальним струмом

Максимальний діаметр електрода чи дроту

У випадку апаратів, призначених для ручного дугового зварювання, максимально допустимий діаметр електрода приблизно пропорційний максимуму струму. А ось із напівавтоматами ситуація інша. На те, який дріт можна використовувати під час роботи, впливають не тільки характеристики струму, але і конструкція протягуючого механізму. Його функція полягає в тому, щоб забезпечувати безперервну плавну подачу дроту із заданою швидкістю (без ривків та заїдання).

У конструкції механізму подачі є ролики з канавками певного розміру, які мають U-подібний (для дроту з м'якого металу, на кшталт алюмінію) або V-подібний профіль (для сталевого дроту). Як правило, на ролику є дві канавки стандартних типорозмірів (зазвичай 0.6 та 0.8 мм, 0.8 та 1.0 мм або 1.0 та 1.2 мм), але іноді їх більше. Тому саме конструкцією механізму протяжки та номенклатурою змінних наконечників для пальника, які йдуть у комплекті зі зварювальним апаратом, і визначається, з яким дротом може працювати той чи інший напівавтомат.

Конструкція подаючого механізму визначає, з яким дротом зможе працювати напівавтоматичний зварювальний апарат.
Популярні зварювальні апарати для тонкого дроту

Періодичність вмикання

Коефіцієнт періодичності вмикання (ПВ) – це характеристика зварювального обладнання, яка описує його «витривалість» та здатність довго працювати на максимальному струмі без пауз. Наприклад, періодичність 70% означає, що типовий 10-хвилинний робочий цикл апарата включає до 7 хвилин безперервної роботи, після чого потрібно зробити перерву на 3 хвилини для охолодження «нутрощів».

Підбираючи апарат за даною характеристикою, слід враховувати інтенсивність планованої роботи та її характер. Наприклад, для професійного зварювання великих конструкцій з листової сталі потрібен апарат, за допомогою якого можна робити довгі суцільні шви — для цього краще взяти модель з ПВ > 70%. А для виготовлення, скажімо, кованих парканів, які збираються з готових елементів на «прихватки» (короткі або точкові шви), можна взяти апарат з ПВ в районі 50%. Побутові задачі, які, як правило, полягають у тому, щоб приварити кронштейни до паркану або петлі до гаражних дверей, цілком можна виконувати за допомогою зварювального апарату, що має ПВ ≤30%. Навіть такої невеликої періодичності вмикання (що передбачає 3 хвилини зварювання та 7 хвилин відпочинку) цілком вистачає більшості майстрів, адже зварювальнику в будь-якому разі доводиться часто робити паузи та переривати роботу, щоб підігнати деталі, змінити електрод, відбити окалину зі шва та перевірити його якість.

Навіть маленького інвертора із невеликим коефіцієнтом ПВ зазвичай вистачає для домашніх зварювальних проєктів.

Вхідна напруга та споживана потужність

Такі характеристики, як вхідна напруга та споживана потужність, є дуже важливими критеріями при виборі обладнання для ділянки з проблемним електроживленням або мобільної майстерні, що передбачає живлення від генератора (зауважимо, що існують спеціальні зварювальні генератори, в яких об'єднані функції зварювального апарату та мініелектростанції). Наприклад, найпотужніші апарати для зварювання створюють настільки велике навантаження на мережу, що їх навряд чи розумно використовувати в домашній майстерні, і вони нерідко потребують прямого підключення до щитка в обхід автоматики. Також слід пам'ятати про те, що від звичайної побутової електромережі можуть працювати тільки апарати 230 В, а в цехах заводів та фабрик, підключених до трифазного живлення, найбільш популярними є моделі на 400 В.

Популярні потужні зварювальні апарати (> 10 кВА)

Допоміжні функції та захисні системи

З переходом на інверторні схеми та поступовим здешевленням електронних компонентів виробники зварювального обладнання стали вдосконалювати свою продукцію, додаючи до неї нові «фішки» та функції, які полегшують роботу зварювальника та роблять її зручнішою та безпечнішою.

  • Гарячий старт (Hot Start) – при торканні електродом заготовки зварювальний апарат видає імпульс підвищеної потужності. Завдяки короткочасному значному збільшенню сили струму електрод моментально розігрівається до високої температури, легко та впевнено запалюючи дугу.
  • Форсаж дуги (Arc Force) – зварювальний апарат в автоматичному режимі виробляє «начерки» струму в процесі перенесення крапель розплавленого металу через дуговий проміжок від електрода до заготівлі. Короткочасні, чітко контрольовані стрибки сили струму дають змогу підвищити швидкість плавлення електрода, збільшити глибину зварювальної ванни і уникнути залипання (приварювання електрода до заготівлі).
  • Захист від залипання (Anti-Stick) – якщо уникнути залипання не вдалося, автоматика миттєво скидає струм до мінімального значення або взагалі вимикає зварювальний апарат. За наявності цієї функції «залиплий» електрод легко відокремлюється від заготівлі без пошкодження обмазки (покриття з порошкоподібних матеріалів) і тому залишається придатним для подальшого використання.
  • Зниження напруги холостого ходу (VRD) – це функція, що забезпечує безпеку користувача. Її суть полягає в тому, що в моменти, коли апарат увімкнений, але зварювання не здійснюється (наприклад, при підготовці до роботи або під час перевірки якості шва), на електроди подається не робоча напруга, а знижена до безпечного значення (зазвичай у межах 10-20 В). Таким чином, замикання ланцюга при випадковому торканні електрода рукою або іншими частинами тіла не призводить до ураження електричним струмом. Зауважимо, що в багатьох країнах робітники на будівництві та в цехах підприємств зобов'язані використовувати зварювальні апарати з увімкненою функцією VRD за умовами страхування життя.

Апарат, оснащений усіма перерахованими «фішками», не перетворить вас за помахом чарівної палички на висококласного фахівця з ручного дугового зварювання. Але якщо ви новачок, який освоює ази зварювання, або маєте не дуже багато досвіду, то вищезазначені допоміжні функції значно полегшать перші кроки і допоможуть робити менше помилок. Тому при виборі першого зварювального апарату є сенс придивлятися саме до тих моделей, які мають Hot Start, Arc Force і Anti-Stick.

Електронні «помічники» дають змогу класти рівні та міцні зварні шви.

У сучасних зварювальних напівавтоматів теж є деякі функції, які корисні як новачкам (допомагають на початковому етапі навчання електрозварюванню), так і професіоналам (дають змогу швидше працювати і робити якісніші шви).

  • Імпульсне зварювання – це режим роботи інвертора-напівавтомата, при якому основний зварювальний струм доповнюється високопотужними імпульсами (як правило, в 5-10 разів сильніше фонового струму), що йдуть з частотою від декількох десятків до кількох сотень герц. Пульсація струму покращує процеси перенесення крапель та перемішування металу у зварювальній ванні, зменшує кількість пор та дефектів, підвищує якість зварного шва та міцність з'єднання.
  • Синергетичне управління – «інтелектуальна» функція, що полегшує процес налаштування обладнання. У прошивці електронного блока, управляючого роботою зварювального апарату, є велика бібліотека типових програм. Каталог готових налаштувань включає програми для зварювання різних видів сталей, кольорових металів та сплавів. Від зварювальника потрібно вказати вступні дані (вид металу, товщину заготівлі, діаметр дроту, склад захисного газу тощо), а електроніка сама підбере пакет оптимальних робочих параметрів (силу струму та вихідну напругу, швидкість подачі дроту, частоту та тривалість імпульсів тощо). Якщо в процесі роботи зварювальник вручну змінює один із параметрів, то інші підлаштовуються автоматично. Завдяки вибору оптимальних режимів та електронному контролю процесу зварювання, апарати із синергетичним управлінням підвищують якість роботи та зменшують ймовірність помилок.
  • 2/4-тактний режим – спосіб управління обладнанням, що дає змогу змінювати «поведінку– напівавтомата. У 2-тактному режимі зварювальний апарат працює, коли натиснута кнопка на пальнику, та вимикається при її відпусканні. При роботі в 4-тактному режимі обладнання не реагує на відпускання кнопки, а вмикається та вимикається виключно при натисканні на клавішу – так зручніше працювати при великій довжині швів.
Сучасні зварювальні напівавтомати мають велику кількість налаштувань та регулювань.

Короткі висновки

Вибираючи зварювальний апарат для гаража або домашньої майстерні, слід поставити собі низку питань та чесно відповісти на них:

  • що варитимемо? – краще першопочатково підбирати обладнання під більше-менш конкретні задачі, враховуючи вид металу та його товщину;
  • який у вас досвід? — новачкам однозначно краще підійде апарат із електронними «помічниками», які допомагають уникати помилок;
  • як часто займатимемося зварюванням? – техніка для епізодичного та постійного застосування може сильно відрізнятися за ціною та надійністю;
  • які роботи виконуватимемо? – при виборі апарату варто враховувати такі фактори: робота на вулиці або в приміщенні, зварювання короткими або довгими швами, можливість підключення балонів із газом тощо.

Зауважимо, що у зварювальній справі має значення не марка обладнання, і тим більше не його вартість. Головне — це досвід та навички, відточені на практиці. Навіть найкращий зварювальний апарат з пакетом найсучасніших технологій і функцій не зробить роботу за вас і не перетворить новачка на висококласного зварювальника. Тому свій перший апарат для зварювання є сенс шукати серед недорогих моделей та техніки середнього цінового класу, орієнтуючись на характеристики та відгуки.