Как выбрать и купить самый лучший паяльник для полипропиленовых труб

Авторские права на статью принадлежат ООО «АДР-Технология» и автору Александру Жукову
При использовании материалов статьи – обязательна активная ссылка на https://adr-tools.ru

ДИСКЛЯЙМЕР:
Статья не научная, выполняет просветительскую функцию.
Поэтому автор не стесняется использовать бытовую терминологию.
В частности, сварочный аппарат часто называется «паяльником», охлаждение – «остыванием» и пр.

ОГЛАВЛЕНИЕ

• 1. Как выбирать паяльник для полипропиленовых труб?
• 2. Какая температура нагрева паяльника для пайки полипропиленовых труб?
• 2.1. Температура пайки полипропиленовых труб
• 2.2. Температура на нагревателе паяльника для полипропиленовых труб
• 2.3. Типы терморегуляторов для паяльника полипропиленовых труб
•     ○ Схема системы управления
•     ○ Назначение системы управления
•     ○ Две группы терморегуляторов
• 3. Аппараты для сварки полипропиленовых труб с термостатом
• 3.1. Принцип работы термостата паяльника полипропиленовых труб
• 3.2. Точность термостата паяльников для труб
• 3.3. Особенности нагрева насадки раструбным сварочным аппаратом с термостатом
• 3.4. Мощность паяльника для полипропиленовых труб с термостатом
• 3.5. Доработка паяльника для полипропиленовых труб с термостатом
• 4. Аппараты для сварки полипропиленовых труб с ПИД-регулятором
• 4.1. Как устроен паяльник полипропиленовых труб с ПИД-регулятором температуры
• 4.2. Принцип работы ПИД-регулятора температуры в паяльнике полипропиленовых труб
• 4.3. Ошибки настройки ПИД-регулятора температуры паяльника полипропиленовых труб
• 4.4. Температура аккумуляторного паяльника полипропиленовых труб
• 5. Надежный паяльник для полипропиленовых труб
• 5.1. Надежный шнур питания
•     ○ Сечение жил
•     ○ Контакт заземления
•     ○ Материал наружной оболочки
•     ○ Крепление шнура к рукоятке
• 5.2. Надежный термостат
• 5.3. Защита от неконтролируемого нагрева
• 5.4. Надежное крепление нагревателя к рукоятке
• 5.5. Надежность других компонентов аппарата
• 6. Удобный паяльник для полипропиленовых труб
• 6.1. Паяльник с дисплеем
• 6.2. Паяльник с удобной рукояткой
• 6.3. Способы фиксации паяльника

1. Как выбирать паяльник для полипропиленовых труб?

При выборе аппарата для сварки полипропиленовых труб покупатель как правило руководствуется следующими соображениями:

1. Цена;
2. Удобство;
3. Надежность и долговечность...

И гораздо реже задумывается о самом важном критерии выбора:

4. Способность выполнить работу.

Сравнение цен очевидно. Оценка удобства и надежности требует определенного опыта, а за неимением опыта – некоторых разъяснений от опытного знакомого.

А вот принципиальную пригодность аппарата к сварке пластиковых труб и фитингов враструб – оценивают только специалисты. Между тем, ничего сложного здесь нет, надо только внимательно разобраться.

2. Какая температура нагрева паяльника для пайки полипропиленовых труб?

В принципе, аппарат для раструбной сварки – это просто грелка для насадок! Звучит шокирующе? Откуда же такая разница в ценах?

Нет, конечно, с точки зрения приемов монтажа трубопровода, требований к аппарату много: и эргономичность, и механическая прочность, и т.д. и т.п. Но это всё к вопросам удобства и надежности.

Казалось бы, всё тут понятно, указано в паспорте аппарата, и нечего тут разжевывать. Но не всё так просто!
Давайте попробуем галопом пробежать путь инженера, проектирующего аппарат для сварки полипропиленовых труб. Вернее, целую линейку аппаратов, от бюджетных до самых продвинутых.

2.1. Температура пайки полипропиленовых труб

Будем руководствоваться всемирно признанными нормативами – немецкими нормами DVS 2207-11 (процедура сварки ПП труб враструб) и DVS 2208-1 (оборудование для сварки пластиковых деталей нагретым инструментом). Автор склонен верить, что немецкие специалисты в свое время выполнили серьезный НИОКР при написании указанных нормативов.

Нормативные требования к температуре касаются нагретого инструмента – рабочих поверхностей сварочных насадок. И таких требований всего два:

Аппарат, который не может выполнить данные требования, формально непригоден для сварки полипропиленовых труб. Такие паяльники лучше вообще не рассматривать к покупке. К сожалению, на рынке таких большинство.

Для инженера-разработчика указанные требования – не кабальные. Забегая вперед, скажем, что такие мягкие ограничения можно выполнить массой технических решений, даже вполне бюджетных.

Так нужно ли быть святее папы римского, применять сложные и довольно дорогие технические решения в стремлении еще улучшить точность температуры? Давайте разбираться...

Норматив DVS 2208-1 не объясняет причину указанных температурных ограничений. И не дает рекомендаций по поводу наилучшего температурного диапазона, который следовало бы реализовать на самых продвинутых профессиональных аппаратах.

Такие рекомендации несложно вычислить на основе общеизвестных фактов:

• Рандом сополимер пропилена (ППР) и другие материалы для труб под раструбную сварку – ПЭВП (ПНД), ПВДФ, ПБ – не боятся кратковременного перегрева выше 270°C, термодеструкцией полимера можно пренебречь. Причина верхнего ограничения температуры нагретого инструмента точно НЕ в риске снижения прочности материала трубы и фитинга!
• Если мы будем греть трубу и фитинг слишком горячим инструментом (например, 280°C), то их глубинные слои прогреются сверх меры и потеряют упругость. Как результат, после совмещения трубы и фитинга сварочное давление между поверхностями будет ниже требуемого. А это риск непроваров.
  С этим можно было бы бороться сокращением времени нагрева. Но наша задача – не переписать норматив на процедуру сварки, а понять идеальную температуру инструмента в рамках легитимных и уважаемых нормативов.
• Нагретый инструмент (сварочная насадка) должен иметь антиадгезионное покрытие для защиты от налипания расплава материала. В противном случае налипший расплав будет подвергаться нагреву длительное время, и тогда его термодеструкция будет значительной. Затем этот старый и уже негодный расплав попадет в зону нового сварного соединения и снизит его прочность.
  Для антиадгезионного покрытия ничего лучше тефлоновой композиции пока не придумали. Эта композиция, в свою очередь, на 85-90% состоит из политетрафторэтилена, у которого температура длительной эксплуатации – только до 260°C. Вот где собака порылась! Превышение температуры выше 260°C убивает тефлон. Чем это превышение больше и дольше, тем быстрее облезут насадки.
• В отличие от сварки встык, для раструбной сварки требуется высокая текучесть расплава на свариваемых поверхностях. Если снизить температуру инструмента ниже 260°C, текучесть расплава снизится, и совместить трубу и фитинг будет тяжело, особенно при больших диаметрах. Более того, на это совмещение может просто не хватить времени: тонкий слой текучего материала быстро переходит в высокоэластическое состояние.
  Наоборот, опытные сварщики для облегчения работы стараются правдами и неправдами настроить температуру повыше нормативных 260°C, не осознавая или игнорируя ускоренный износ тефлона.
• Падение температуры инструмента во время нагрева трубы и фитинга, прописанное в нормативе, технологической ценности не имеет. Это всего лишь неизбежное зло: теплоотдача через стенку в расплав полимера выше, чем в воздух. И к сожалению, не приходится надеяться, что терморегулятор воспрепятствует охлаждению инструмента: его реакция запаздывает из-за инерционности системы.
  Соответственно, указанное в нормативе ограничение ∆T=5°C – компромисс. Идеалом было бы нулевое падение температуры. Достичь такого идеала технически невозможно, но можно к нему приблизиться, увеличив теплоемкость инструмента (насадки).

Отсюда становится понятна постановка задачи проектирования идеального аппарата для профессиональной сварки труб враструб:

Для пользы дела еще имело бы смысл убрать возможность настройки, чтобы ушлый сварщик шаловливыми пальцами не задирал температуру насадок. Но коммерческий фактор не позволит: у нашего человека любое ограничение свободы вызывает внутренний протест, даже если эта свобода потенциально вредна.

ВЫВОДЫ:

• Имеет смысл запомнить требования норматива к температуре нагретого инструмента для сварки враструб: (1) в режиме ожидания T=260±10°C; (2) в течение сварочного цикла максимально допустимое падение ∆T=5°C.
• Дешевый аппарат, который не может выполнить требования норматива, формально непригоден для работы. На практике он, возможно, и сможет сварить соединение. Но это мучения для сварщика и риск низкого качества сварки. Затраты на устранение возможных протечек гораздо выше, чем экономия на аппарате.
• Аппарат, который на пределе своих возможностей выполняет норматив, имеет право на жизнь. Но для сварщика – сомнительное удовольствие. И тефлон на насадках долго не проживет. Годится как инструмент в кладовке, для экстренных работ «для дома для семьи».
• Понятие «профессионального» сварочного аппарата для полипропиленовых труб нормативами не определено. Чем точнее температура сварочной насадки поддерживается на уровне 260°C, тем больше прав имеет аппарат на этот гордый эпитет. Конечно, если удобство и надежность также соответствуют. Идеальной следует считать точность плюс-минус 1~2 градуса.

2.2. Температура на нагревателе паяльника для полипропиленовых труб

Мало кто задумывается, но температура нагревателя аппарата заметно отличается от температуры насадок, которые на него установлены. Температура нагревателя нормативами не определена. Более того, само понятие «нагреватель» в российской нормативной базе отсутствует.

Вопреки путанице в нормах DVS и в недавно утвержденном ГОСТ 70729, «нагретым инструментом» следует называть металлические части сварочного оборудования, которые непосредственно соприкасаются со свариваемыми поверхностями пластиковых деталей для их нагрева. Нагретый инструмент может быть плоским или профильным. В случае сварки враструб нагретый инструмент выполнен в форме сменных сварочных насадок; именно к ним применимы описанные выше температурные допуски.

Отсутствие термина «нагреватель» в российской нормативной базе объясняется просто: аппараты для раструбной сварки полипропиленовых труб у нас никогда не производились. Но нам без этого слова никак. Как в цитате от Фаины Раневской: «Странно, ж...па есть, а слова нет». Поэтому далее оперируем понятием «нагреватель» без оглядки на ущербную нормативную базу.

Автор в свое время выполнил большую серию экспериментов с моделированием в САПР процесса нагрева сварочных насадок. Для того чтобы в статическом режиме получить на рабочих поверхностях насадки среднюю температуру 260°C, на нагревателе требуется назначить температуру от 265 до 280°C, в зависимости от прочих настроек компьютерной симуляции:

Как же нам заранее точно вычислить разбег температуры и учесть его при проектировании аппарата?

А никак! Это просто не нужно! Вместо этого, готовый аппарат калибруют по насадке:

ВЫВОДЫ:

• Настроенное значение температуры на аппарате должно соответствовать итоговой температуре насадки. Если не соответствует, значит, аппарат необходимо откалибровать.
• Температура нагревателя существенно отличается от температуры насадки. По опыту автора, при наилучших условиях (плоские полированные посадочные поверхности, стоячий теплый воздух) это отличие никогда не менее 7°C.
• Высокая шероховатость или любые покрытия (термостойкая эмаль, тефлон) на посадочных поверхностях ухудшают тепловой контакт между нагревателем и насадкой, увеличивая разбег температуры. При выборе аппарата для пропиленовых труб следует отдавать предпочтение голому (без тефлона) нагревателю с идеально плоской полированной поверхностью.
• Большой разбег температуры (12-15°C) между нагревателем и насадкой, возникающий из-за плохого теплового контакта, нивелируется калибровкой аппарата, т.е. нет проблем. Но есть нюанс! Температура на насадке такого аппарата будет точной только в тех же условиях, в которых его калибровали. А изменение внешних воздействий (ветер, влажность и температура воздуха) могут внести серьезную ошибку, градусов до восьми-десяти! Поэтому если предполагается работа в неблагоприятных условиях, следует отдать предпочтение аппарату с небольшой разницей температуры нагревателя и насадки, в пределах 10°C. Эту разницу можно с достаточной точностью оценить даже с помощью бесконтактного термометра – т.н. пирометра.

2.3. Типы терморегуляторов для паяльника полипропиленовых труб

Схема системы управления

Как устроено регулирование температуры у сварочных аппаратов для полипропиленовых труб?

Принципиальная схема всегда одинаковая:

• некий датчик обратной связи измеряет текущую температуру нагревателя;
• сигнал датчика в качестве обратной связи поступает на компаратор и сравнивается с сигналом задающего устройства;
• сообразно результату этого сравнения, некий регулятор генерирует воздействие на объект регулирования – дозирует мощность нагрева нагревателя; противоположное воздействие (принудительное охлаждение) не предусмотрено;
• изменение интенсивности внешнего охлаждения нагревателя является возмущающим воздействием, приводит к отклонению температуры, заставляет регулятор проявить «всё чему учили» для устранения этого отклонения.

Нагреватель, датчик обратной связи и регулятор с задающим устройством составляют простейшую замкнутую систему автоматического управления (САУ) температурой:

Принцип регулирования реализуется самыми разными наборами технических средств, от примитивных до продвинутых.

Назначение системы управления

САУ с терморегулятором любого типа для паяльника полипропиленовых труб призвана решать 3 задачи:

Представленный график – идеализированная «хотелка». Любой реальный регулятор температуры внесет в него (в график) свои нежелательные, но неизбежные коррективы.

Две группы терморегуляторов

По отношению к паяльникам полипропиленовых труб сложилось разделение на 2 базовые категории по типу терморегулятора:

Строго говоря, это не совсем верно:

Термостат – всего лишь «устройство для поддержания постоянной температуры», без указания на принцип действия.
Даже простой биметаллический термостат не обязательно работает как термореле (только ВКЛ или ВЫКЛ), а может осуществлять плавное регулирование. Пример – автомобильный термостат системы охлаждения. Или термостатическая головка радиатора отопления.

К тому же, кто сказал, что термостат обязательно биметаллический? Или капиллярный? Ведь даже продвинутый контроллер температуры сварочного зеркала аппаратов стыковой сварки часто и справедливо называют электронным термостатом! А там уж точно вполне себе честный ПИД-закон регулирования. Но вот поди ж ты, «термостат»!

Тем не менее, чтобы не вносить разлад в устоявшуюся классификацию, далее по тексту под «аппаратами с термостатом» будем подразумевать устройства с пилообразным графиком температуры.

Теперь об электронном контроллере. Электронные компоненты и дисплей вовсе не гарантия ПИД-регулирования!
Автору доводилось тестировать точность аппаратов раструбной сварки некоего раскрученного китайского бренда, с цифровым дисплеем и кнопками настройки. И с удивлением обнаружить, что его температура никогда не устаканивается, а всегда пилообразно дрейфует от MIN до MAX. При ближайшем рассмотрении нашим электронным гуру оказалось, что слабенького процессора тупо не хватает на реализацию ПИД-закона регулирования, хватает только на ВКЛ и ВЫКЛ.

А с другой стороны, серия паяльников P-4a от DYTRON не имеет дисплея. Настройка температуры – поворотной кнопкой, индикация готовности – светодиодом. И однако же, эти аппараты оснащены продвинутым ПИД-регулятором! Конечно, дисплей здесь был бы нелишним. Но это больше к вопросу об удобстве. А точность поддержания температуры определяется не наличием дисплея.

Поэтому, чтобы избежать разночтений, далее по тексту для обозначения аппаратов с точным терморегулятором будем к «электронному контроллеру» добавлять уточняющее «ПИД-»: электронный ПИД-контроллер. А вот эту «разводку» с дисплеем, но без ПИД-регулирования – отнесем к «термостатам».

ВЫВОД:

• Температура паяльника полипропиленовых труб в режиме ожидания может быть либо стабильной, либо непрерывно гулять вверх-вниз. Это зависит от типа терморегулятора – электронный ПИД-контроллер или простой термостат.

3. Аппараты для сварки полипропиленовых труб с термостатом

3.1. Принцип работы термостата паяльника полипропиленовых труб

На аппараты раструбной сварки обычно устанавливают биметаллический термостат, как в утюге. Гораздо реже – капиллярный термостат, в этом случае капилляр-сенсор помещают внутрь нагревателя.

В обоих случаях формально имеем замкнутую систему автоматического управления (САУ):

• нагрев термочувствительного элемента – биметаллической пластины или капилляра – играет роль обратной связи;
• функцию задающего устройства и элемента сравнения (компаратора) выполняет регулировочный шток термостата;
• электроконтакт термостата служит регулятором, хоть и примитивным.

3.2. Точность термостата паяльников для труб

Важнейшая характеристика термостата – величина «мертвой зоны», или разница между температурой включения и выключения. Выбор термостата по этому параметру – дилемма:

• с одной стороны, чем меньше мертвая зона, тем точнее регулирование температуры;
• но с другой стороны, тем дороже термостат;
• и к тому же, тем чаще замыкание-размыкание контактов и меньше ресурс.

А какая же обычно мертвая зона термостата у бюджетных паяльников?

По результатам замеров получаем пилообразный график с T_min=250°C и T_max=290°C, с периодом около 2,5 мин.

Да, чуда не случилось! Мертвая зона термостата не менее 40°C, ожидаемо для дешевого паяльника.
И что же, значит, не годится? Жалко! Уж больно цена хорошая.

Рано расстраиваться! Разброс температуры на нагревателе сам по себе никого не интересует. Нормативные ограничения температуры 250-270°C касаются рабочих поверхностей сварочной насадки! И без разницы, чем именно мы ее греем. Да хоть периодически дуем на нее паяльной лампой!

Давайте выполним замеры на насадке.

Получаем сглаженные колебания температуры в интервале от T_min=249°C до T_max=269°C, со средней температурой 259°C.

Амплитуда колебаний ∆T составила 20°C. На грани фола, но допустимо! Жизнь налаживается!

ВЫВОД:

• Бюджетный паяльник для труб с дешевым термостатом, с огромной амплитудой колебаний температуры на нагревателе (40-45°C) – совсем не факт, что сразу в помойку! Может оказаться, что если установить на него сварочную насадку, то на ней температура будет колебаться в приемлемом диапазоне ∆T=20°C.

И всё-таки хочется понять, почему амплитуда колебаний температуры на насадке меньше, чем на нагревателе аппарата. И как это зависит от размера насадки.

3.3. Особенности нагрева насадки раструбным сварочным аппаратом с термостатом

Тепло от трубчатого нагревательного элемента (ТЭНа) распространяется по алюминиевому телу нагревателя, в направлении наружных поверхностей нагревателя, затем через стенки и воздушный зазор – в насадку, далее расходится по алюминиевому телу насадки, затем через стенки насадки рассеивается в воздух.

Страшно? Да ладно, шучу!

Мы поступим как Капитан Очевидность: вначале посмотрим на фактические «разгонные графики» для насадок разного размера, а потом будем разбираться в причинах увиденного.

ТЕСТ №1

Итак, еще раз делаем замеры температуры с насадкой DN 20. Только теперь от момента включения. И одновременно на нагревателе возле термостата (красный график) и на насадке (синий график).

Очевидно:

1. амплитуда колебаний температуры на насадке (20°C) меньше, чем на нагревателе (40°C),
2. изменения температуры насадки несколько запаздывают от нагревателя,
3. средняя температура на насадке (259°C) ниже, чем на нагревателе (270°C).

Для наглядности разъяснений, здесь и далее по тексту будем отдельно рассматривать условную красную зону нагревателя (возле термостата) и условную синюю зону (в месте установки насадки). Эти зоны удалены друг от друга, термодинамические процессы в них различны.

Теперь попробуем объяснить себе причины полученных результатов:

ТЕСТ №2

Вместо насадки DN 20 установим насадку DN 16. И посмотрим, что изменилось.

Очевидно:

1. время цикла (нагрев+остывание) у насадки DN 16 (153 с) чуть больше, чем у насадки DN 20 (147 с),
2. амплитуда колебаний температуры на насадке DN 16 (25°C) больше, чем на насадке DN 20 (20°C),
3. средняя температура на насадке DN 16 (265,5°C) выше, чем на насадке DN 20 (259°C).

Причина 1.0:
Общая площадь рассеивания тепла у системы нагреватель+насадка несколько уменьшилась. Это чуть замедлило остывание.

Причина 1.1:
Время нагрева (включенный термостат) составляет малую часть времени цикла, а именно 18-20 с. Это сопоставимо с временем запаздывания температуры насадки от нагревателя. Поэтому размер насадки не оказывает заметного влияния на скорость нагрева красной зоны нагревателя. Время нагрева осталось неизменным.

Причина 2.0:
Если пропорционально уменьшать насадку, ее объем и масса (в конечном итоге теплоемкость) уменьшаются по кубическому закону. А вот ее площадь (в т.ч. зеленой посадочной поверхности) – только по квадратичному закону. Чем меньше насадка, тем меньше ее теплоемкость на единицу площади, через которую осуществляется нагрев. А значит, быстрее рост температуры при нагреве одним и тем же нагревателем.

Причина 2.1:
По той же математической причине: чем меньше насадка, тем меньше ее теплоемкость на единицу сиреневой поверхности рассеивания тепла. А значит, быстрее снижение температуры при одной и той же скорости отдачи тепла через стенку в воздух.

Причина 3:
Рассмотрим синюю зону нагревателя и насадку как систему. Уменьшив насадку, мы уменьшили площадь поверхности, через которую система рассеивает тепло в воздух. А количество генерируемого в системе тепла осталось прежним. Рассеять такое количество тепла через уменьшенную поверхность можно только за счет увеличения средней температуры системы.

ТЕСТ №3

Вместо насадки DN 20 последовательно установим насадки DN 25, 32, 40. Каждый раз сравнивая полученный результат с предыдущим.

Очевидно:

1. с увеличением размера насадки уменьшаются время цикла (147→138→126→111 с), амплитуда колебаний (20→16→12→8°C) и средняя температура (259→251→242→230°C) на насадке;
2. для большой насадки (в нашем случае 40 мм) выход на стабильную среднюю температуру может занять значительное время. Для уверенности лучше выждать десяток циклов включения-выключения термостата.

Причина 1:
Уменьшение цикла, амплитуды и средней температуры соответствуют тенденциям, рассмотренным в предыдущем тесте.

Причина 2:
Если считать, что линейные размеры насадки DN 40 в 2 раза больше, чем у DN 20 (это почти верно), то площадь ее поверхностей больше в 2²=4 раза, а объем (и теплоемкость) в 2³=8 раз. Благодаря увеличенной посадочной поверхности, поток тепла от нагревателя к насадке в 4 раза больше, он остужает синюю зону нагревателя, но не может быстро поднять температуру насадки из-за ее увеличенной в 8 раз теплоемкости.
Между тем, красная зона нагревателя сильно удалена от сварочной насадки и живет своей жизнью. Она нагревается до максимальной температуры и отключает термостат. Если при этом насадка остается недостаточно горячей, то это проблема насадки, которая не влияет на отключение термостата.
С каждым циклом температура насадки растет, пока рост рассеивания тепла в воздух не уравновесит приток тепла от нагревателя.

ВЫВОДЫ:

• На одном и том же раструбном сварочном аппарате, с одной и той же «мертвой зоной» термостата, чем больше насадка, тем стабильнее на ней температура.
• Тонкостенные, легкие и дешевые сварочные насадки условно годятся только для аппаратов с точным ПИД-регулятором. Если установить такую насадку на термостатический паяльник полипропиленовых труб, то ее малая тепловая инерционность не позволит эффективно сгладить колебания температуры.
• У паяльников для пластиковых труб с биметаллическим термостатом разметка шкалы температуры вокруг ручки настройки – весьма условна. Фактическая средняя температура насадки зависит от ее размера. У таких паяльников имеет смысл расширить диапазон настройки температуры вверх до 300-320°C, поскольку для большой насадки может потребоваться сильно завышенная настройка. В нашем примере для насадки DN 40 потребуется настройка 290-295°C, чтобы на насадке получить среднюю температуру 260°C.
• Этой неприятности лишены аппараты для сварки полипропиленовых труб с капиллярным термостатом. Капилляр-сенсор в этом случае располагается в глухом отверстии внутри нагревателя, прямо под насадкой. И реагирует на изменение температуры насадки, а не какой-то удаленной зоны нагревателя. Правда, и мертвая зона термостата здесь требуется очень маленькая, поскольку насадка не сглаживает колебания. Хороший капиллярный термостат имеет мертвую зону ∆T=10°C и обеспечивает колебания температуры ±5°C.
• Если установлена самая большая насадка из рабочего диапазона вашего паяльника полипропилена с биметаллическим термостатом, то после включения выждите хотя бы 7-8 циклов включения-выключения термостата (по светодиодному индикатору). Это позволит надеяться, что температура насадки успела стабилизироваться, насколько это возможно.

3.4. Мощность паяльника для полипропиленовых труб с термостатом

Когда аппарат с насадкой вышел на рабочую температуру, требуется совсем небольшая мощность дальнейшего нагрева, чтобы не давать ему остыть.

Однако если посмотреть выбор бюджетных термостатических паяльников такого размера на рынке, для них обычно заявлена мощность 1500 Вт или выше! Как к этому относиться? Откровенный обман?

Некоторое лукавство здесь действительно есть. Китайцы в спецификациях официально указывают пиковую мощность, т.е. при включении холодного аппарата. После разогрева сопротивление спирали станет выше, рабочая мощность снизится – именно ее принято указывать в спецификациях в России и Европе.
Но с другой стороны, если спираль ТЭНа выполнена из нихрома (как правило), то его температурный коэффициент сопротивления очень маленький. Мощность при рабочей температуре будет всего примерно на 6% ниже, чем в момент включения, т.е. около 1400 Вт, а не пиковые 1500 Вт. И наши тесты подтверждают, что такую пиковую и рабочую мощность бюджетные паяльники с термостатом действительно обеспечивают.

Но 1400 Вт это всё равно гораздо больше, чем 800! Известно, что увеличение мощности нагревателя практически ничего не стоит, ТЭНы разной мощности мало отличаются по цене. Но зачем?!! Ради маркетинга?

Если бы речь шла об аппарате с ПИД-регулятором, то именно так к этому и стоило бы относиться: чистый маркетинг и никакого практического смысла. Но для паяльников полипропиленовых труб с биметаллическим термостатом такая мощность нагревателя действительно необходима!

В чем же разница?

У электронного аппарата для полипропиленовых труб широтно-импульсный модулятор (ШИМ) включает питание ТЭНа на время t_вкл, которое составляет некоторую долю такта работы контроллера ∆t. Эта доля зависит от алгоритма работы регулятора и в любой момент может составлять от 0% до 100% времени такта (см. след. рис.).

Поскольку такт ∆t у контроллера сварочных аппаратов короткий (в пределах 1 с), инертный нагреватель не замечает пульсации. Таким образом, усредненная мощность нагрева P_ср может плавно изменяться в диапазоне 0≤P_ср≤P_тэн.

У термостатического паяльника для полипропиленовых труб (вспомним предыдущую главу) время включения термостата t_вкл составляет всего 20 с (см. след. рис.). А весь цикл «нагрев+остывание» t_ц, например, для насадки DN 25 – аж 138 с. Эти времена фиксированные, определяются физическими характеристиками системы нагрева. И не зависят от каких-либо регулировок или алгоритмов, поскольку их здесь просто нет.

Получается, в нашем случае средняя мощность нагрева P_ср для поддержания температуры составляет всего 15% от мощности нагревателя P_тэн. Наш испытуемый маленький паяльник, при мощности нагревателя P_тэн=800 Вт, расходует на поддержание температуры насадки DN 25 всего P_ср=800ˣ15%=120 Вт!

Вопрос первый:

Если этот сварочный аппарат для полипропиленовых труб будет управляться ПИД-регулятором, то нужна ли нам мощность нагревателя 800 Вт? Что будет, если мы снизим мощность ТЭНа – скажем, до 500 Вт?

Да ничего особенного, в рабочем режиме температура будет поддерживаться с той же точностью, и расходоваться на это будут те же 120 Вт! Только вот после включения в розетку аппарат будет дольше выходить на рабочую температуру. Но на выполнении сварки это не отразится!

Вопрос второй:

А если аппарат для сварки полипропиленовых труб управляется как сейчас, термостатом, можем ли мы снизить мощность нагревателя?
И вот это уже очень интересный вопрос, заслуживает отдельного эксперимента!

Давайте конкретизируем задачу для эксперимента:

Нас интересует режим ожидания, т.е. цикл «нагрев+остывание».
Очевидно, что при снижении мощности время нагрева t_вкл будет увеличиваться. А время остывания t_выкл не изменится.
Для определенности решаем: мощность нагревателя мы хотим снизить настолько, чтобы нагрев и остывание занимали одинаковое время: t_вкл=t_выкл.

Отсюда посчитаем требуемую мощность нагревателя и как ее организовать:

• Рассеивание тепла в воздух происходит непрерывно. Нагрев – только при включенном термостате. Чтобы для нашего эксперимента получить одинаковую скорость нагрева и остывания, мощность нагревателя P_тэн должна равняться двойной мощности рассеивания тепла.
• Мощность рассеивания тепла равняется средней (за цикл) мощности, которую аппарат расходует на поддержание температуры насадки. Мы ранее посчитали, что при установленной насадке DN 25 эта мощность P_ср=120 Вт. Тогда требуемая для эксперимента мощность нагрева P_тэн=120ˣ2=240 Вт.
• Легко посчитать, что для получения на нашем нагревателе (220 В 800 Вт) фактической мощности нагрева 240 Вт, нужно подать на него действующее напряжение 120,5 В.

Теперь практическая часть эксперимента:

Подаем на аппарат питание через ЛАТР, выводим нагреватель на рабочую температуру, затем понижаем напряжение питания аппарата до 120,5 В. Посмотрим, как изменились графики для нагревателя с насадкой DN 25:

1. Пониженная мощность ТЭНа привела к замедленному росту температуры нагревателя (пологий рост красного графика). Время нагрева (до отключения термостата) увеличилось с 18-20 с до 118-120 с.
2. Максимальная температура насадки (пик синего графика) сместилась вверх с 259°C до 277°C. Очевидное объяснение – в условиях длительного нагрева тепло успевает перетекать в насадку в большем объеме.
3. Интересно, что ускорилось остывание насадки (увеличился нисходящий наклон синего графика). В результате минимальная температура насадки смещается вверх всего на 1 градус – с 243°C до 244°C. Объясняется это тем, что при медленном нагреве синяя зона нагревателя успевает почти всё вырабатываемое тепло передать насадке. На фазе остывания насадка почти не получает тепловой подпитки от нагревателя.
4. Приятный бонус – средняя температура насадки смещается вверх с 251°C до 260,5°C.
5. Неприятный и совершенно неприемлемый «бонус» – амплитуда колебаний температуры увеличивается с 16°C до 33°C.

ВЫВОДЫ:

• Для паяльника полипропилена с биметаллическим термостатом малая мощность нагревателя – это зло! При медленном нагреве амплитуда температуры на насадке будет близка к амплитуде бюджетного термостата, которая составляет 40-45°C и выходит далеко за ограничения норматива.
• Выбирая паяльник полипропиленовых труб с термостатом, при прочих равных следует отдать предпочтение более мощному.
• Бытует мнение, что у аппаратов с двойным ТЭНом и отдельными выключателями для каждого ТЭНа, после выхода на рабочую температуру можно отключить один из ТЭНов. Не надо этого делать! Этим вы увеличите амплитуду колебаний температуры насадки!

3.5. Доработка паяльника для полипропиленовых труб с термостатом

В предыдущей главе мы выяснили, что для термостатических паяльников полипропилена высокая мощность – это хорошо. Она сокращает время нагрева t_вкл. И, как следствие, уменьшает амплитуду колебаний температуры на насадке.

Предположим, что сделанный нами радиатор ускоряет остывание красной зоны нагревателя вдвое. То есть вдвое сокращает время остывания t_выкл (со 118 до 59 с).
Но ведь радиатор будет замедлять нагрев! Несложная математика показывает, что время нагрева t_вкл увеличится на 20% (с 20 до 24 с). А общее время цикла «нагрев+остывание» t_ц сократится на 40%.

Используя знание тенденций и общей физики, строим эмпирические графики:

КОММЕНТАРИИ:

1. По определению, в устоявшемся режиме температура насадки в конце цикла «нагрев+остывание» должна возвращаться на тот же уровень, с которого начинался цикл.
2. Увеличение времени нагрева и сокращение времени остывания поднимет среднюю температуру той части системы, до которой «не дотягивается» радиатор: синяя зона нагревателя + насадка. Только так система за более короткое время сможет рассеивать увеличенное количество тепла.
3. Сокращение времени цикла уменьшит амплитуду колебаний температуры на насадке. По оценке автора, амплитуда должна снизится примерно на 30%.

ВЫВОД:

• Доработка паяльника полипропиленовых труб с термостатом, с целью ускорить локальное остывание нагревателя для скорейшего включения термостата, имеет смысл, если в исходных условиях время остывания t_выкл значительно превышает время нагрева t_вкл. В этом случае доработка сократит время цикла t_ц и уменьшит амплитуду колебаний температуры на насадке.

4. Аппараты для сварки полипропиленовых труб с ПИД-регулятором

4.1. Как устроен паяльник полипропиленовых труб с ПИД-регулятором температуры

В отличие от термостата, ПИД-регулятор способен устранить колебания температуры на нагревателе и на насадке аппарата. Теоретически, до нуля. На практике до плюс-минус 1-2 градуса.

Здесь тоже могут возникать проблемы с точностью регулирования, но исключительно из-за ошибок настройки. Задача импортера-продавца – выявить возможные ошибки терморегулятора на тестовом паяльнике и настоять, чтобы для серийных поставок производитель их устранил. На практике, по результатам тестирования опытного образца приходится многословно ссылаться на Теорию автоматического управления (ТАУ), чтобы втолковать производителю свои «хотелки».
Кстати, на этом этапе выявляются и отсекаются гаражные кооперативы, которые притворяются серьезными фабриками.

Теперь по порядку.

ПИД-закон регулирования можно организовать и аналоговой электроникой. Однако это архаизм, трудно поддающийся перенастройке. Для аппаратов раструбной сварки используют программируемый цифровой контроллер температуры.
В отличие от простых термостатов и аналоговых схем, работа цифрового регулятора периодическая. Период (время такта) ∆t задается частотой тактового сигнала и в случае паяльников для труб составляет в пределах 1 сек. За один n-ный такт контроллер выполняет полный цикл регулирования:

• Задание температуры сравнивается с текущей температурой нагревателя T(n), вычисляется текущее отклонение E(n).
• На основании отклонения E(n) контроллер вычисляет суммарный управляющий сигнал – требуемую на данном такте мощность нагрева, в диапазоне 0-100% от максимальной.
• Управляющий сигнал подается на широтно-импульсный модулятор (ШИМ), который включает подачу питания на нагреватель в течение соответствующей процентной доли такта. Таким образом обеспечивается дозирование мощности нагрева P(n).
• Нагреватель в течение такта генерирует соответствующую процентную долю тепла и тем самым влияет на регулируемый параметр – температуру.

Схема системы автоматического управления (САУ) в данном случае выглядит вот так:

Физически САУ организована следующим образом:

• В качестве датчика температуры для обратной связи применяют терморезистор PT100 или хромель-алюмелевую термопару. В первом случае изменение температуры меняет сопротивление датчика, во втором ЭДС. Опуская подробности, скажем, что применительно к паяльнику полипропиленовых труб разницы нет – ни в точности, ни в долговечности. Ну, разве что через пару лет интенсивной работы характеристики термопары могут чуть уплыть, тогда аппарат лучше откалибровать. Зато термопара дешевле.
  В обоих случаях датчик помещают в специальное глухое отверстие в основании нагревателя, максимально близко к месту установки насадки. И заливают термостойким силиконовым герметиком с хорошей теплопроводностью. Такое расположение датчика повышает точность температуры на насадке.
• Настройка задающего устройства (если вообще доступна) может выполняться как в цифровом виде на дисплее, так и в аналоговом – поворотом некой ручки. Для работы регулятора это не имеет значения, в конечном итоге ПИД-регулятор обрабатывает цифровой сигнал, характеризующий текущую величину отклонения E(n). Справедливости ради следует отметить, что аналоговая настройка задания сама по себе может вносить некоторую погрешность.
• Контроллер состоит из низкоточной управляющей части (регулятор) и силовой части (ШИМ). Силовая часть выделяет паразитное тепло. Если количество паразитного тепла значительно, управляющую и силовую часть электроники часто физически разделяют – размещают на некотором удалении или даже через перегородку. А паразитное тепло отводят радиатором.
• Регулятор организован на базе микропроцессора. Реакция ПИД-регулятора на сигнал отклонения E(n) определяется программируемыми коэффициентами К_п, К_и и К_д. Оптимальные значения коэффициентов зависят от характеристик САУ.
• ШИМ паяльников для труб организован с помощью симистора.

4.2. Принцип работы ПИД-регулятора температуры в паяльнике полипропиленовых труб

О ПИД-регуляторах написано много, поэтому здесь обсудим только то, что касается аппаратов для сварки полимерных труб враструб. А особенностей здесь три:

1. Регулятор НЕ может влиять на регулируемый параметр в обоих направлениях – на повышение и понижение. Может менять только мощность нагрева. А охлаждение – уж какое есть, такое есть.
2. Регулирующее воздействие (мощность нагрева) ограничено мощностью нагревателя P_тэн. Даже если регулятор насчитает, что ШИМ должен открыться на 200%, он откроется только на 100%.
3. В системе присутствует серьезная задержка между температурой насадки и синей зоной нагревателя. А еще больше – между насадкой и датчиком обратной связи (красная зона нагревателя).

Итак!

ПИД-регулятор штука продвинутая, максимально близкая к идеалу! Он действительно способен максимально быстро вывести аппарат на заданную температуру и затем максимально точно ее поддерживать. Для этого регулятор имеет 3 математические компоненты, которые параллельно анализируют 3 характеристики регулируемого параметра на n-ном (текущем) такте работы регулятора.

Пропорциональная (П) компонента: для учета текущего отклонения Е(n), без оглядки на историю.

Е(n) является разницей между заданной температурой T_з и текущей измеренной температурой T_n. На следующем рисунке это соответствует длине вертикального синего отрезка.

Логика простая: больше недогрев на текущем n-ном такте – больше мощность нагрева P(n).

По идее, пропорциональная компонента стремится устранить до нуля разницу между заданным и текущим значением регулируемого параметра.

Однако в случае паяльника полипропиленовых труб, простой П-регулятор способен вывести температуру на уровень задания разве что в случае, если нагреватель находится в вакууме. А реальный нагреватель непрерывно рассеивает тепло в воздух. Поэтому требует подпитки теплом. А подпитка пропорциональна отклонению E. Замкнутый круг!

Поэтому в установившемся режиме температура T_у будет отличаться от задания T_з на некоторую ненулевую величину, называемую статической ошибкой.

Кстати, об особенностях работы П-регулятора на раструбных сварочных аппаратах:

• График первичного нагрева – прямой, нагреватель «молотит» на полную мощность P_тэн. Мощность нагрева начинает снижаться только при приближении к равновесной температуре T_у.
• Остывание более медленное, чем нагрев. Механизм принудительного охлаждения отсутствует. Поэтому здесь не наблюдается нескольких затухающих колебаний. Первая полуволна перерегулирования – она же единственная.

Статическую ошибку, конечно, можно устранить калибровкой, просто «сказав» контроллеру, что сигнал термодатчика 250°C нужно трактовать, например, как 230°C. И такой трюк действительно практикуется! Однако таким способом трудно обеспечить приемлемое быстродействие и устойчивость системы.

Интегральная (И): для накопления информации об отклонении Е(n). Здесь накапливается (интегрируется) отклонение регулируемого параметра от задания за всё время от момента включения аппарата до текущего n-ного такта. На следующем рисунке это соответствует площади синей области минус площадь красной области.

Логика простая: пока остается некоторое занижение температуры (статическая ошибка), И-компонента будет постепенно расти, повышая мощность нагрева и тем самым уменьшая это отклонение.

По идее, интегральная компонента стремится рано или поздно устранить отклонение температуры от задания в установившемся режиме.

Добавление И-компоненты увеличивает верхнюю полуволну перерегулирования. Чтобы уменьшить ее до разумного размера, чуть снижаем коэффициент пропорциональной компоненты К_п.

Для паяльника полипропилена с ПИ-регулятором получаем следующий результат:

• В самом начале первичного нагрева одна только П-компонента (которую мы уменьшили) не выводит мощность на 100%.
• Через короткое время И-компонента набирает силу, добавляется к П-компоненте, и совокупный сигнал регулятора на ШИМ превышает 100%. Нагреватель «молотит» на полную мощность.
• Накопленная И-компонента приводит к стабилизации температуры на уровне задания T_з. Если интегральный коэффициент К_и подобран верно, то стабилизация наступит уже после первой полуволны перерегулирования. Если завышен, возможны 2-3 затухающих колебания.

Дифференциальная (Д): для быстрой реакции на возмущения. Реагирует на скорость изменения регулируемого параметра, в данном случае температуры. Скорость изменения рассчитывается как разница отклонения на текущем и предыдущем тактах ∆E=E_(n)—E_(n-1), деленная на время такта ∆t. На следующем рисунке соответствует котангенсу угла α наклона графика.

Логика простая: если фиксируется быстрое охлаждение, то очевидно, что оно вызвано вдруг выросшим рассеянием тепла (совместили фитинг и трубу с насадкой). Значит, нужно компенсировать его резким увеличением мощности нагрева.

По идее, дифференциальная компонента активно сопротивляется любым изменениям регулируемого параметра.

Добавление Д-компоненты внесет сопротивление первичному нагреву. Чтобы нагреватель после включения по-прежнему «молотил» на полную мощность, увеличиваем коэффициенты К_п и К_и.

Для полипропиленового паяльника с ПИД-регулятором получаем следующий результат:

• После быстрого насыщения И-компоненты первичный нагрев происходит при полной мощности нагревателя P_тэн. Положительные вклады П- и И-компонент сильно перевешивают отрицательный вклад Д-компоненты.
• Когда температура превысит уровень задания T_з, вклад И-компоненты начинает снижаться, а вклад П-компоненты и вовсе становится отрицательным. Здесь Д-компонента уже успешно сопротивляется дальнейшему нагреву. В результате заметно уменьшает амплитуду перерегулирования.
• Когда температура начинает снижаться, Д-компонента, наоборот, затягивает процесс остывания, добавляя мощность нагрева.

Вот, собственно, и весь принцип ПИД-регулирования температуры паяльника полипропиленовых труб!

Если подобрать и залить в контроллер оптимальные коэффициенты К_п, К_и и К_д, то наилучший график нагрева нагревателя (красный) и насадки (синий) будет выглядеть вот так:

ТУТ ВАЖНО:

• Наклон большей части красного графика на этапе первичного нагрева соответствует 100% мощности нагревателя. Аппарат максимально быстро выходит на рабочую температуру.
• Полуволна перерегулирования у красного графика – небольшая по амплитуде и длительности.
• Из-за задержки распространения тепла, на синем графике температуры насадки перерегулирование незначительное или отсутствует.
• Такой подбор ПИД-коэффициентов гарантирует, что резкое охлаждение насадки (режим сварки) регулятор будет отрабатывать также максимально быстро.

4.3. Ошибки настройки ПИД-регулятора температуры паяльника полипропиленовых труб

Настройка электронного контроллера аппарата для сварки полипропиленовых труб сводится к двум операциям:

1. Определение оптимальных коэффициентов К_п, К_и и К_д и ввод их в контроллер;
2. Калибровка измерений температуры.

Какие неприятности можно получить, если ПИД-коэффициенты будут неподходящими для САУ? Вот разгонные графики для несколько характерных ошибок:

• Систему можно ненароком «затупить», на заданный уровень она будет выходить целую вечность.
• Систему можно загнать в режим автоколебаний. Хорошо если затухающих!
• Система может пойти вразнос. Для простых нагревательных приборов вариант недостижимый.

Для расчета оптимальных ПИД-коэффициентов регулятора необходимо определить передаточную функцию системы. Математическое описание каждого элемента и системы в целом – дело хоть и кропотливое, но рутинное, не требующее творческих мук. С другой стороны, для этого применяется особая математика, которая является частью весьма непростого университетского курса «Теория автоматического управления». Самоучек в этой области знания автор как-то не встречал.

К счастью, такой академический подход незаменим только для сложных, связанных и взаимозависимых САУ. А для простых систем с достаточным запасом устойчивости, каковыми являются подавляющее большинство окружающих приборов, существуют более-менее простые и эффективные методы экспериментального подбора коэффициентов. Например, Метод Циглера–Николса.

То есть для производителей приборов с ПИД-регулятором (в т.ч. паяльников для ПП труб) всё не так сложно. Нет необходимости трудоустраивать академика!

И тем не менее, из практики автора, тестовый образец паяльника для труб от нового потенциального поставщика крайне редко показывает оптимальное ПИД-регулирование и принимается к регулярным поставкам «как есть». Откуда же проистекают проблемы?

Хороший производитель паяльников для полипропиленовых труб настраивает ПИД-регулятор по средней «нагрузке». Скажем, аппарат с двумя посадочными местами для насадок – до DN 63 и до DN 25 – настраивается по одной установленной насадке DN 50.

Тогда на нагревателе получим:

• С одной насадкой DN 50 получаем оптимальную разгонную характеристику (зеленый график ниже).
• С «голым» нагревателем без насадок получим менее устойчивую систему, с увеличенной полуволной перерегулирования (красный график). Не опасно.
• Максимально «нагруженный» нагреватель демонстрирует самую устойчивую систему, но переходный процесс затянут (синий график). Грустно, но допустимо.

А вот «проблемные» аппараты для раструбной сварки чаще всего на нагревателе демонстрируют следующие разгонные графики: оптимальный (зеленый) для голого нагревателя, несколько затянутый (синий) для средней насадки, совсем грустный (сиреневый) для полного комплекта насадок.

У автора есть по меньшей мере 3 предположения для объяснения возможных причин такого безобразия. И все они так или иначе сводятся к некомпетентности производителя в Теории автоматического управления (ТАУ).

Однако проблема такой безобразной ПИД-настройки страшна не сама по себе, а ошибками последующей калибровки. В самом деле, если паяльник полипропиленовых труб выходит на рабочую температуру не за положенные 5-8 мин, а за 15-20 мин, то это досадно, но на качество дальнейшей работы не влияет.

А когда через 20 мин все затянутые переходные процессы наконец закончатся, на насадке будет 268-270°C! И какой нам смысл в таком супер-пупер ПИД-регуляторе?!!

ВЫВОД:

Если у вас нет достаточных оснований доверять продавцу или бренду, лучше проверить разгонную характеристику аппарата с одной установленной насадкой среднего (для этого аппарата) размера, настроив регулятор на 260°C. Замер выполнять контактным термометром на насадке. Требуемый результат:

• нагрев до 260°C занимает не более 8 мин;
• после этого температура отклоняется не более чем на ±2°C.

4.4. Температура аккумуляторного паяльника полипропиленовых труб

Кстати, в спецификациях аналогичных паяльников для труб можно встретить указание на высокую мощность, вплоть до 1400 Вт. Это маркетинговый вымысел! Физику не обманешь: разобрать и померить сопротивление ТЭНа нетрудно, затем посчитать мощность при питании 21 В можно даже в уме.

Кроме трудностей, есть и облегчающее обстоятельство для проектирования: аккумуляторный паяльник для труб изначально позиционируется на рынке как инструмент для небольших экстренных работ, когда протяжка удлинителя сложнее самой сварки. Поэтому требования к ресурсу (в частности, тефлона насадок) не очень суровые.

А вот насадки мы до каких пределов можем облегчить?

Чтобы определить допустимое снижение массы (теплоемкости) насадок, вспоминаем нормативные требования к их температуре:

Теперь всего 3 шага до оптимального компромиссного решения:

Но как заставить сварщика настраивать аппарат на 275°C? Ведь мало-мальски грамотный сварщик знает как «Отче наш», что паяльник полипропиленовых труб надо настраивать на 260°C!

Ну и не надо его переучивать! Пусть настраивает на 260, мы даже в инструкции в очередной раз подтвердим: настраивай на 260! А аппарат откалибруем таким образом, чтобы на насадке при этом было 275°C.

Ну вот, температурные ориентиры определены. Толщину стенки и прочую геометрию насадки каждого размера несложно определить из условия остывания на ∆T=20°C.

Остался один нюанс. По мере разрядки аккумулятора напряжение падает, и на каком-то этапе для поддержания температуры на насадке просто не хватит мощности нагрева. Как об этом узнает сварщик, чтобы остановить работу?

Легко высчитываем, что если при напряжении 21 В обеспечивается мощность 280 Вт, то для мощности 120 Вт потребуется напряжение питания 13,7 В.
Если напряжение разряженного аккумулятора упадет ниже 13,7 В, никакой регулятор нас уже не спасет, насадка начнет остывать.
Вот на этот порог напряжения программируем навязчивую индикацию «РАЗРЯЖЕНО!».
ФСЁ!

ВЫВОДЫ:

• Если при выборе аккумуляторного паяльника полипропиленовых труб вы решили дотошно проверить температуру на насадках, не ждите там совпадения с настроенной температурой. На насадках всегда будет градусов на 15 больше. И это нормально, у аккумуляторных сварочных аппаратов с легкими тонкостенными насадками это именно так и работает.
• Аккумуляторный паяльник вполне качественно и надежно сваривает полипропиленовые трубы. Однако рассчитан на эпизодическую работу, поскольку заряда аккумулятора хватает всего на пару десятков сварок трубы 20 мм, даже если варить подряд, без пауз. Если вас это не смущает, аккумуляторный аппарат можно использовать и для профессиональной работы, только тефлон на насадках облезет раньше, чем у профессионального аппарата с ПИД-регулятором.
• Не имеет смысла устанавливать профессиональные толстостенные насадки на аккумуляторный паяльник для труб. Их первичный нагрев до рабочей температуры займет больше времени и «сожрет» существенную часть заряда аккумулятора. А единственный «бонус» – в том, что при нагреве трубы и фитинга температура насадки упадет до 267-273°C, а не до 252-258°C. На качестве сварного соединения это не скажется от слова совсем. На удобстве сварщика скажется незначительно.

5. Надежный паяльник для полипропиленовых труб

В части надежности следует пристально рассматривать отдельные узлы и детали аппарата для раструбной сварки полимерных труб.

5.1. Надежный шнур питания

Сечение жил

Для выбора подходящего сечения проводников в зависимости от силы тока есть масса народных формул.

Принцип тут простой. Чем толще проводники в шнуре питания, тем лучше для аппарата: меньше сопротивление, меньше потери напряжения и мощности, меньше нагрев шнура. Но и тем выше расходы производителя и цена аппарата!

К сожалению, нет готовых правил или нормативов для выбора «золотой середины».

Есть правила ПУЭ, которые регламентируют безопасное сечение токопроводящих жил шнура питания. В частности, глава 1.3. ПУЭ указывает допустимый длительный ток для «открытых проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с медными жилами» различного сечения. От себя добавим в таблицу столбец расчетной максимальной мощности при напряжении 230 В:

Невероятно! Для подавляющего большинства сварочных аппаратов для полипропиленовых труб ПУЭ рекомендует шнур питания с токопроводящими жилами (ноль и фаза) всего по полквадрата! В чем подвох?

Подвохов на самом деле два:

1. Условием безопасной проводки ПУЭ считает разогрев открытого шнура питания не выше +65°C при температуре воздуха до +25°C. А если воздух +30°C и солнце? Или если сварщик уронит спецовку на шнур питания?
2. ПУЭ определяет условия безопасной эксплуатации для проводов. ПУЭ не интересует, как будет чувствовать себя электроприбор (в нашем случае паяльник для труб) при питании через такой шнур.

Давайте рассмотрим гипотетический паяльник с напряжением питания 230 В и мощностью 2530 Вт (максимум по ПУЭ для 0,5 мм²):

• Любой электроприбор имеет разумные допуски напряжения питания. Это связано с выбором комплектующих для прибора. А в случае аппаратов электромуфтовой сварки – еще и с диапазоном сварочного напряжения. Для паяльников полипропиленовых труб этот допуск обычно ±15-20%. Т.е. нижний порог допустимого напряжения питания может оказаться 230-15%=195,5 В, тогда ниже этого порога электроника имеет право не работать.
• Легко посчитать, что при температуре +65°C и сечении 0,5мм² каждый метр медного провода имеет сопротивление 0,065 Ом, а 2-жильного шнура – 0,13 Ом. Тогда при токе 11 А (первичный нагрев нашего гипотетического паяльника) каждый метр 2-жильного шнура питания будет потреблять почти 16 Вт на собственный нагрев! Ну это разорение!
  Перепад напряжения на каждом метре такого 2-жильного шнура питания составит почти 1,5 В. Т.е. если в розетке имеем 200 В (обычная ситуация на стройке), то 3-метровый шнур питания 2×0,5 мм² донесет до сварочного аппарата всего 195,5 В, а это на грани фола!

Поэтому на практике сечение жил шнура питания паяльника для труб – гораздо больше норм ПУЭ, обычно не менее указанного в следующей таблице:

Как видим, при таком сечении жил потери незначительны, даже если умножить их на 3 метра шнура.

Контакт заземления

Еще одно оправданное требование к шнуру питания паяльника для полипропиленовых труб – наличие контакта заземления.

По объективным причинам защита раструбных сварочных аппаратов от пыли и влаги никогда не бывает выше IP 54. Т.е. защита от брызг (не от струи!), частичная защита от пыли. Но при этом аппарат должен работать в т.ч. на улице или во влажных помещениях.

В связи с этим наиболее оправданный класс электробезопасности паяльников для труб – I, который:

• регламентирует наличие контакта заземления у шнура питания у прибора;
• допускает неограниченное применение прибора, если сеть питания обеспечивает заземление;
• если заземления нет, то разрешает применение только в сухих помещениях без заземленных металлических частей.

Даже если паяльник ПП труб имеет двойную изоляцию, это только дополнительная мера защиты, которая не отменяет заземление.

Автору не приходилось видеть аппараты для сварки враструб без заземляющего контакта на вилке, но это не значит, что в самом дешевом сегменте их точно нет.

Материал наружной оболочки

Для долгой жизни паяльника полипропиленовых труб важно, чтобы наружная оболочка шнура питания и изоляция жил не плавились при контакте с горячим нагревателем и насадкой. В идеале – чтобы по окончании работы аппарат с кое-как смотанным шнуром можно было бросить в стальной чемодан.

Такой идеал был когда-то на рынке! Фирма DYTRON оснащала свои раструбные сварочные аппараты дорогими шнурами с оболочкой из жаропрочной силиконовой резины желто-оранжевого цвета. К сожалению, где-то в начале 2010-х они отказались от такого расточительства.

Лучшее, чего сейчас можно ожидать – это оболочка из термостойких марок хлоропренового каучука (неорпена) черного цвета, которую часто называют просто резиновой. Такой шнур питания легко переносит кратковременное случайное касание нагревателя. При упаковке горячего аппарата в чемодан всё же придется проявить некоторую аккуратность и отделить сложенный шнур от нагревателя.

Дешевая альтернатива хлоропреновой резине – пластифицированный ПВХ. Шнуры с такой оболочкой окружают нас повсюду в быту. Они не рассчитаны даже на мимолетное касание «железяки» с температурой 260°C, но тем не менее широко используются для бюджетных паяльников полипропиленовых труб. Если при касании оплавилась только наружная оболочка шнура, а изоляция жил выжила, изолента вам в помощь!

Крепление шнура к рукоятке

Паяльник полипропиленовых труб – ручной инструмент, подверженный переноске и даже падениям с высоты. Шнур питания паяльника неизбежно подвергается изгибам и рывкам. В связи с этим обязательно наличие эластичного кабельного ввода!

ВЫВОДЫ:

• Выбирая паяльник для полипропиленовых труб, убедитесь, что сечение жил шнура питания соответствует мощности нагревателя, как указано в таблице выше. Если больше – хорошо!
• Если шнур питания не имеет контакта заземления, по Технике Безопасности такой сварочный аппарат для ПП труб может применяться только в сухих помещениях без заземленных металлических частей, что само по себе нонсенс.
• При выборе паяльника для полипропиленовых труб следует отдавать предпочтение шнуру питания с резиновой изоляцией.
• Следует обратить внимание на наличие кабельного ввода. Прочность крепления шнура без разборки проверить не удастся, зато можно оценить реакцию продавца на вашу попытку поднять аппарат за шнур и потрясти.

5.2. Надежный термостат

Если аппарат для сварки полипропиленовых труб оборудован простым термостатом, то он (термостат) должен быть рассчитан на коммутируемую силу тока. Максимальный ток обычно указан на корпусе термостата. И вот тут производители дешевых аппаратов экономят очень часто!

Между тем, дело серьезное! Под действием слишком высокого тока контакты термостата часто залипают. Тогда начинается неконтролируемый нагрев ТЭНа, который расплавит алюминиевый нагреватель.

Зная напряжение питания и мощность утюга для пайки полипропиленовых труб, легко посчитать максимальную силу тока. К сожалению, чтобы проверить маркировку термостата, придется разбирать аппарат.

ВЫВОД:

• Для эконом-сегмента раструбных сварочных аппаратов весьма характерно оснащение самым дешевым термостатом: не только с низкой точностью, но и с малым коммутируемым током. Если при разборке своего аппарата вы обнаружили слаботочный термостат, будьте морально готовы, что его контакты однажды залипнут и расплавленный алюминий нагревателя стечет вам на тапки. Других рекомендаций тут нет. Как говорится, чем смог, тем помог!

5.3. Защита от неконтролируемого нагрева

У электронного терморегулятора существует гипотетическая возможность такого сбоя в работе силовой части электроники, когда симистор не закрывается. В этом случае происходит неконтролируемый нагрев, чреватый расплавлением алюминиевого нагревателя. Вероятность такого сбоя очень-очень мала, но ставки больно высоки!

Чтобы полностью исключить возможность негативных последствий (расплавления нагревателя) от маловероятного неконтролируемого нагрева, продвинутые паяльники полипропиленовых труб оборудуют дополнительной защитой.

Такая защита сама не отключает питание в аварийной ситуации, а требует вмешательства сварщика. Зато более наглядна для сварщика. К тому же, отслеживает не только перегрев, но и отсутствие нагрева.

За более чем 20 лет работы нашего сервис-центра жалобы на срабатывание защиты от перегрева случались всего несколько раз. Зато расплавленных нагревателей у электронных сварочных аппаратов с защитой мы не видели ни разу.

ВЫВОД:

• При выборе электронного паяльника для полипропиленовых труб уточните наличие защиты от перегрева.

5.4. Надежное крепление нагревателя к рукоятке

Деталь или набор деталей, служащих для крепления нагревателя к рукоятке, должны выполнять 2 задачи:

• эффективное препятствование передаче тепла от нагревателя к рукоятке;
• обеспечение прочности на изгиб, особенно при боковых нагрузках – при совмещении трубы и фитинга с насадкой.

Узел крепления нагревателя называют «терморазвязкой». Две функции терморазвязки конфликтуют между собой. Попытка решить задачу термоизоляции простыми и эффективными средствами снижает прочность крепления. И наоборот, технологичное и жесткое крепление хорошо проводит тепло.

Идея идеальной терморазвязки подчиняется простым законам физики и лежит на поверхности. Однако для изготовления такого идеала требуются высокотехнологичные операции. Как минимум, лазерная (или на худой конец плазменная) ЧПУ-резка нержавеющей трубы. Закатать отбортовку с крепежными "ушами" по торцам – тоже задача нетривиальная.

Разные производители решают вопрос терморазвязки по-своему, исходя из доступных и экономически оправданных технологий. Поэтому на рынке паяльников для полипропиленовых труб мы видим широчайшее разнообразие способов крепления нагревателя к рукоятке:

Автору не приходилось видеть, чтобы пластиковая рукоятка откровенно плавилась от нагревателя, даже на самых дешевых паяльниках полипропиленовых труб. Все-таки теплоизолирующие свойства терморазвязки производители контролируют тщательно, в крайнем случае добивают прокладками из паронита. Иначе после первого же включения пришлось бы обеспечивать гарантию.

А вот с прочностью хуже, хлипких креплений на рынке хоть отбавляй!

ВЫВОД:

• Выбирая аппарат для сварки полипропиленовых труб, следует обратить внимание на способ крепления нагревателя к рукоятке. И хотя бы визуально оценить его способность многократно выдерживать боковые нажимы трубы и фитинга максимального диаметра.

5.5. Надежность других компонентов аппарата

6. Удобный паяльник для полипропиленовых труб

Удобство, конечно, понятие индивидуальное. Но приемы работы с аппаратом у разных сварщиков схожие, поэтому некоторые требования к удобству универсальны.

6.1. Паяльник с дисплеем

К сожалению, часто на этом всё удобство дисплея заканчивается. Недобросовестные производители вместо точной настройки ПИД-регулятора программируют маркетинговую логику: как только индикация дисплея достигнет 260, дисплей «замерзает» на этом числе и стоит как вкопанный, пока реальная температура находится в диапазоне ±10°C (возможны варианты) от настройки.

Что касается этапа первичного нагрева после включения аппарата, число на дисплее быстро растет и радует оператора. Но это число не отражает текущую температуру насадок! Ведь датчик находится в нагревателе, а нагрев насадок сильно запаздывает.

ВЫВОД:

• Если вам важно в режиме ожидания видеть на дисплее реальную температуру насадок, при выборе аппарата для полипропиленовых труб убедитесь, что его дисплей не «замерзает» на настроенной температуре. Первичный нагрев должен заканчиваться индикацией небольшого перерегулирования (265-268°C) с дальнейшим плавным возвратом к 260°C. А в устоявшемся режиме индикация должна изредка гулять между 259 и 261°C.

6.2. Паяльник с удобной рукояткой

Между тем, опытный сварщик знает, что не менее 90% всех сварок выполняются двумя руками на аппарате, который прикреплен к столу (табуретке), установлен на подставку или прижат коленом к полу. Так сваривают относительно сложную заготовку. Затем, взяв аппарат в руку, заготовку одним соединением приваривают к ранее смонтированному трубопроводу.

ВЫВОД:

• Приемы работы сварочным аппаратом для полипропиленовых труб сильно отличаются от работы напильником. Эргономичная рукоятка для такого аппарата не приоритет, заметно переплачивать за нее нет смысла.

6.3. Способы фиксации паяльника

ВЫВОД:

• Выбирая паяльник для сварки полипропиленовых труб, следует сразу представить, в каких условиях он будет использоваться и как его зафиксировать для работы двумя руками.