Каталог радиолюбительских схем

СВАРОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР: РАСЧЕТ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ

В. ВОЛОДИН, г. Одесса, Украина

Электродуговая сварка — самый распространенный в промышленности и в быту способ неразъемного соединения металлических деталей. Появившись 120 лет назад, она, благодаря высокой технологичности, быстро и почти повсеместно вытеснила другие способы сварки. Сегодня аппарат для электродугоаой сварки — непременная часть оборудования домашней мастерской или мечта ее владельца. В статье рассказывается о том, как рассчитать и изготовить сварочный трансформатор, и дана необходимая информация для грамотного проектирования и изготовления такого устройства в целом.

Электрическая дуга была открыта в 1802 г. профессором физики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии Василием Владимировичем Петровым. Описывая в 1803 г. это явление, В. В. Петров указал на возможность его практического применения как для освещения, так и для плавления металлов. Но только спустя 80 лет, в 1882 г. талантливому русскому изобретателю Николаю Николаевичу Бенардосу удалось разработать промышпенно-пригодный способ электродуговой сварки металлов. По способу Бенардоса (рис. 1) сварочный шов 4 образуется за счет плавления присадочного металлического прутка 3 в электрической дуге 1, горящей между угольным или вольфрамовым электродом 2 и соединяемыми деталями 5. Несколько позже, в 1888 г. Николай Гаврилович Славя-нов разработал иной способ сварки (рис. 2). Электрическая дуга в данном случае горит между соединяемыми деталями 5 и электродом, из расплавленного металла сердцевины 2 которого образуется шов 4. Газы, выделяющиеся при горении и испарении материала защитного покрытия (обмазки) 3 электрода, защищают расплав от окисления и делают дугу более устойчивой. Первые конструкции сварочных электродов с покрытием были созданы еще Н. Н. Бенардосом. Современный вид им придал шведский инженер Кельберг в 1911 г.

Благодаря простоте и технологичности именно такой способ ручной сварки, иногда обозначаемый аббревиатурой ММА, получил наибольшее распространение. Сварку ведут как постоянным, так и переменным током, причем в первом случае возможны два варианта: с плюсом источника сварочного тока, подключенным к изделию (прямая полярность) или к сварочному электроду (обратная полярность). Полярность, на которую рассчитан сварочный электрод, должна быть указана в его паспортных данных. Чаще всего применяют обратную.

Идея сварки под флюсом также принадлежит Н. Г. Славянову. Однако американская фирма "Линде" получила патент на способ сварки стали под слоем порошкообразных, плавящихся в процессе сварки веществ лишь в 1936 г. В СССР подобная технология была разработана и внедрена в производство в 1938— 1940 гг. Институтом электросварки АН УССР (ныне им. Евгения Оскаровича Па-тона). Именно этот способ позволил наладить массовый выпуск бронетехники во время Великой Отечественной войны.

В период второй мировой войны в США получила развитие автоматизированная сварка металлов в струе аргона или гелия с помощью неплавящегося вольфрамового (TIG) и плавящегося (MIG) электрода. Последний вариант схематически показан на рис. 3. Дуга 6 горит между свариваемыми деталями 1 и проволокой 2, которую по мере плавления подают к месту сварки с помощью валков 3 по направляющей 4. Инертный газ, поступающий через сопло 5, обволакивает зону сварки и защищает расплавленный металл шва 7 от окисления.

В 1952 г. К. В. Любавским и Н. М. Новожиловым была изобретена легированная электродная проволока специального состава, применение которой позволяет вести сварку плавящимся электродом в среде углекислого газа. Именно этот способ (ему присвоена аббревиатура MAG) нашел сегодня широкое применение в автосервисе.

Получив некоторое представление о способах электродуговой сварки, познакомимся со свойствами электрической дуги—мощного продолжительного электрического разряда между электродами, находящимися под напряжением в среде ионизированного газа. Процесс ее возникновения начинается со сближения и соприкосновения двух электродов — анода и катода, одним из которых в рассматриваемом случае служит свариваемая деталь. Затем электроды раздвигают и между ними в момент размыкания электрической цепи проскакивает искра, ионизирующая газ в межэлектродном пространстве. Если кратковременно приложить к электродам достаточно высокое для электрического пробоя газового промежутка напряжение, ионизировать газ удается и без первичного короткого замыкания.

В образовавшемся за счет начальной ионизации "канале проводимости" электроны под действием электрического поля перемещаются от катода к аноду, развивая значительную скорость. Сталкиваясь с нейтральными атомами газа, они выбивают из них новые электроны, чем поддерживают ионизацию. Это сопровождается выделением большого количества тепла. В результате вещество в столбе дуги, нагретое до 5000...7000 °С, переходит в состоянии плазмы.

Электроны, достигшие анода, отдают ему свою энергию. Здесь образуется сильно нагретое "анодное пятно". Положительные ионы плазмы движутся к катоду и, отдавая ему энергию, формируют так называемое "катодное пятно". Обычно в дуге преобладает электронная компонента тока, вследствие чего на аноде выделяется больше тепла, чем на катоде. Считается, что на анод приходится 43, а на катод — 36 % энергии, остальная рассеивается в столбе дуги. Необходимое условие существования дуги — поддерживаемая ионной бомбардировкой высокая температура катода, благодаря которой происходит эмиссия электронов, ионизирующих газ в столбе дуги.

На рис. 4 (кривая 1) показана типичная статическая вольт-амперная характеристика электрической дуги [1] для сварочного электрода диаметром 3 мм (сечением приблизительно 7 мм²). На характеристике выделяют нисходящий (плотность тока в электроде — менее 12 А/мм^г), горизонтальный и восходящий (плотность тока — более 80 А/мм²) участки. При сварке постоянным током точка пересечения этой кривой с нагрузочной характеристикой источника тока (кривая 2) должна находиться на горизонтальном участке. Напряжение 11_Д, падающее на дуге, в основном зависит от газового состава среды и очень слабо — от сварочного тока I_CB. С точностью, достаточной для практического применения, его вычисляют по эмпирической формуле

U_Д=U_r+0,05I_CB, где U_r=18 В для воздуха, 14 В — для углекислого газа и 11 В — для смеси последнего с аргоном.

Если дуга включена в цепь переменного тока низкой (промышленной) частоты, рабочая точка непрерывно перемещается по нисходящему и горизонтальному участкам характеристики. Так как в конце каждого полупериода ток прекращается, дуга гаснет. Однако в следующем полупериоде, благодаря термоэмиссии электронов с не успевших остыть участков металла и сохраняющейся некоторое время остаточной ионизации газового промежутка, дуга возникает вновь, как только напряжение между электродами достигнет значения, называемого напряжением зажигания. Чтобы добиться устойчивого горения дуги переменного тока, необходимы определенные меры. Применяют, например, специальные электроды, в состав покрытия которых добавлены вещества с низким потенциалом ионизации.

Устойчивость дуги улучшается с повышением напряжения холостого хода сварочного источника (его измеряют при отключенной нагрузке). Однако этот параметр ограничен требованиями безопасности обслуживающего персонала и, согласно ГОСТ95-77Е, не должен превышать 80 В.

Общепринятый способ получить стабильную дугу при сравнительно низком напряжении холостого хода источника тока — включить последовательно в сварочную цепь индуктивное сопротивление. В результате возникает фазовый сдвиг между током и напряжением. Нулевому мгновенному значению тока, при котором дуга гаснет, соответствует максимум напряжения, вновь ее поджигающего. В этом случае достаточно источника с напряжением холостого хода 60...65 В. К тому же изменением индуктивности можно регулировать сварочный ток.

Расплавленный электрической дугой металл электрода поступает каплями [2] в ванну жидкого металла, образующуюся на поверхности свариваемого изделия у основания дуги (это место обычно называют кратером). Процесс начинается с образования слоя расплавленного металла на конце электрода. По мере накопления металл собирается в каплю, которая, в конце концов, перемыкает дуговой промежуток. В этот момент происходит короткое замыкание сварочной цепи, сопровождаемое резким возрастанием тока. Возникающие при этом электромагнитные силы разрывают каплю, а между ней и концом электрода возникает новая дуга. Капля с ускорением падает в кратер, причем часть металла в виде брызг выбрасывается из зоны сварки.

Причина появления вокруг шва излишне большого числа застывших капель металла, удалить которые удается лишь с помощью молотка и зубила, зачастую кроется в форме нагрузочной характеристики источника сварочного тока (зависимости его выходного напряжения от тока нагрузки). Для ручной сварки необходима такая характеристика, чтобы ток короткого замыкания I_K3 превышал номинальный сварочный ток I_CB не более чем в два раза [3].

В отличие от ручной, полуавтоматическую сварку в среде защитного газа ведут с большей плотностью тока, соответствующей началу восходящего участ-

ка статической вольт-амперной характеристики дуги. Для саморегулирования сварочного процесса здесь требуется жесткая нагрузочная характеристика (кривая 3 на рис. 4).

При непрофессиональной ручной электросварке в основном применяют источники переменного тока. Это объясняется простотой и дешевизной последних, хотя качество сварного шва и уступает достижимому на постоянном токе. Еще 10—15 лет назад бытовые аппараты для злектродуговои сварки промышленность практически не выпускала. Сейчас ситуация изменилась, на рынке представлено довольно много устройств, вполне подходящих по параметрам для бытового применения. Но их цена еще не по карману очень многим. Поэтому самодеятельные конструкторы, как и прежде, пытаются изготовить это чудо техники своими руками. Многие из них, обладая некоторыми практическими навыками ручной сварки, не имеют никакого представления о требованиях, предъявляемых к источнику сварочного тока. В результате аппарат, сделанный "на глазок" из подручных материалов, не обеспечивает необходимого качества сварного шва и небезопасен в эксплуатации.

Основной узел сварочного источника переменного тока — специальный, как правило, однофазный сварочный трансформатор. С его помощью понижают напряжение сети до необходимой для сварки величины и одновременно изолируют от сети сварочную цепь. Используемая при расчетах эквивалентная схема трансформатора [4] показана на рис. 5. Коэффициент трансформации п — отношение числа витков обмоток w,/w₂ (здесь и далее индексы 1 и 2 относятся соответственно к первичной и вторичной обмоткам); U₁, U₂ — напряжения на обмотках; r₁, r₂ — их активные сопротивления; R_M - сопротивление потерь в магнитопроводе; L_M — индуктивность намагничивания, связанная с общим для обмоток магнитным потоком; L_1s, L_2s — индуктивности рассеяния, возникающие из-за того, что часть магнитного потока каждой из обмоток рассеивается в пространстве, не взаимодействуя с другой обмоткой. Пользуясь эквивалентной схемой, можно оценить влияние тех или иных параметров трансформатора на такие важные величины, как напряжение холостого хода и ток короткого замыкания.

По конфигурации магнитопровода различают трансформаторы броневые (рис. 6,а) с обмотками, размещенными на центральном керне, и стержневые (рис. 6,б) с обмотками на одном или двух кернах. Для трансформаторов стержневой конструкции характерны повышенный КПД и лучшие условия охлаждения обмоток. Последнее дает возможность, задав повышенную плотность тока, уменьшить расход обмоточного провода. Поэтому сварочные трансформаторы, за редким исключением, делают стержневыми. Магнитопровод обычно набирают из листовой электротехнической (трансформаторной) стали толщиной 0,35...0,5 мм.

Обмотки трансформаторов бывают цилиндрическими и дисковыми. Цилиндрические (рис. 7,а) намотаны одна поверх другой. Расстояние между ними минимально, и практически весь магнитный поток первичной обмотки взаимодействует со вторичной. Поэтому индуктивности рассеяния L_1s и L_2s невелики, ток короткого замыкания ограничен лишь активным сопротивлением обмоток и во много раз превосходит рабочий. Как было сказано ранее, трансформатор с такой нагрузочной характеристикой для ручной сварки непригоден. Его необходимо дополнять балластным резистором (реостатом) или дросселем. Эти элементы сильно увеличивают габариты и массу сварочного источника, а неизбежные потери энергии в них уменьшают его КПД.

В трансформаторах с дисковыми обмотками (рис. 7,б) значительная часть магнитного потока первичной обмотки минует вторичную. В результате последовательно включенные в сварочную цепь индуктивности рассеяния L_1s и L_2s больше, чем в предыдущем случае, и их реактивное сопротивление существенным образом влияет на ток короткого замыкания вторичной обмотки. Как уже было отмечено, наличие индуктивности в сварочной цепи благоприятно и для устойчивого горения дуги. Поэтому трансформаторы с дисковыми обмотками лучше всего подходят для ручной сварки на переменном токе. Иногда их обмотки делают подвижными и, изменяя расстояние между ними, регулируют индуктивность рассеяния, а с ней и сварочный ток.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цукерман М. Б. Источники питания сварочной дуги и электрошлакового процесса. — М.: Высшая школа, 1974.

2. Геворкян В. Г. Основы сварочного дела. — М.: Высшая школа, 1971.

3. Розвренов Ю. Н. Оборудование для электрической сварки плавлением. — М.: Машиностроение, 1987.

4. Найвельт Г. С. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Радио и связь, 1986.

(Окончание следует)

РАДИО №11, 2002, с. 35-36.