焊接变压器：计算和制造。方案、说明

焊接变压器：计算和制造

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电弧焊是工业和日常生活中金属部件永久连接的最常见方法。 120年前出现，由于其高可制造性，它几乎在所有地方迅速取代了其他焊接方法。如今，电弧焊机已成为家庭车间设备中不可或缺的一部分，或者是其主人的梦想。本文介绍了如何计算和制造焊接变压器，并为整个设备的设计和制造提供了必要的信息。

电弧是由圣彼得堡医学外科学院物理学教授瓦西里·弗拉基米罗维奇·彼得罗夫于 1802 年发现的。 V. V. Petrov 在 1803 年描述了这种现象，指出了其在照明和熔化金属方面实际应用的可能性。但仅仅 80 年后，即 1882 年，才华横溢的俄罗斯发明家 Nikolai Nikolaevich Benardos 成功开发出一种适合工业的金属电弧焊方法。根据贝纳多斯方法（图1），通过在碳或钨电极4与待接合部件3之间燃烧的电弧1中熔化填充金属棒2来形成焊缝5。

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稍后，在 1888 年，Nikolai Gavrilovich Slavyanov 开发了一种不同的焊接方法（图 2）。在这种情况下，电弧在连接部件5和电极之间燃烧，由芯2的熔融金属形成接缝4。保护涂层(涂层)的材料燃烧和蒸发期间释放的气体3.电极保护熔体不被氧化，使电弧更加稳定。第一个涂层焊条设计是由 N. N. Benardos 创建的。现代外观是由瑞典工程师 Kelberg 于 1911 年赋予的。

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由于其简单性和可制造性，这种手动焊接方法（有时缩写为 MMA）已变得最普遍。焊接可采用直流电和交流电进行，在第一种情况下，有两种选择：将焊接电流源的正极连接到产品（直流极性）或连接到焊接电极（反极性）。焊条设计的极性必须在其护照数据中注明。大多数情况下，使用相反的方法。

埋弧焊的想法也属于N.G.Slavyanov。然而，美国“林德”公司直到1936年才获得了在焊接过程中熔化的粉末物质层下焊接钢的方法的专利。在苏联，类似的技术于1938年至1940年开发并投入生产。乌克兰苏维埃社会主义共和国科学院电焊研究所（现以叶夫根尼·奥斯卡罗维奇·佩顿命名）。正是这种方法使得卫国战争期间建立了装甲车的大规模生产成为可能。

第二次世界大战期间，美国开发了使用非自耗钨 (TIG) 和自耗 (MIG) 电极在氩气或氦气喷射中自动焊接金属的方法。后一个选项如图 3 所示。 6.电弧1在待焊接部件2和焊丝3之间燃烧，当焊丝熔化时，在辊4的帮助下沿着导轨5被送至焊接位置。惰性气体通过喷嘴7进入包封焊接区域并保护熔融焊接金属XNUMX免于氧化。

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1952年，K.V.Lyubavsky和N.M.Novozhilov发明了一种特殊成分的合金焊丝，使用这种焊丝可以在二氧化碳环境下用自耗焊条进行焊接。正是这种方法（缩写为 MAG）在当今的汽车服务中得到了广泛的应用。

对电弧焊接方法有了一定的了解后，我们来了解一下电弧的特性 - 在电离气体环境中通电的电极之间产生强大的长期放电。其发生过程始于两个电极（阳极和阴极）的接近和接触，在这种情况下，其中之一是被焊接的工件。然后电极移开，在打开电路的瞬间火花在电极之间跳动，电离电极间空间中的气体。如果将足以电击穿气隙的电压短暂地施加到电极上，则即使没有初级短路，也可以使气体电离。

在由于初始电离而形成的“传导通道”中，电子在电场的影响下从阴极移动到阳极，并形成显着的速度。它们与中性气体原子碰撞，从其中击出新电子，从而支持电离。这伴随着大量热量的释放。结果，电弧柱中的物质被加热到 5000...7000°C，转变为等离子体状态。

到达阳极的电子为其提供能量。此处形成强烈加热的“阳极点”。正等离子体离子向阴极移动并为其提供能量，形成所谓的“阴极点”。通常，电流的电子成分在电弧中占主导地位，因此阳极产生的热量多于阴极产生的热量。据认为，阳极占43%，阴极占36%，其余能量在电弧柱中耗散。电弧存在的必要条件是通过离子轰击维持阴极的高温，由此发生电子发射，从而电离弧柱中的气体。

在图中。图4（曲线1）显示了直径为1mm（横截面约为3mm7）的焊接电极的电弧[2]的典型静态电流-电压特性。

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在特性上，区分下降（电极中的电流密度小于12A/mm2）、水平和上升（电流密度-大于80A/mm2）部分。当采用直流电焊接时，该曲线与电源负载特性（曲线2）的交点必须位于水平截面上。电弧上的电压UD 主要取决于介质的气体成分，而与焊接电流lCB 的关系非常微弱。通过经验公式计算，具有足够的实际应用精度

Ud≤Ur + 0,05 Isv，其中Ur≤18 V（空气）、14 V（二氧化碳）和11 V（二氧化碳与氩气的混合物）。

如果电弧包含在低频（工业）频率交流电路中，则工作点沿着特性曲线的向下和水平部分连续移动。由于电流在每个半周期结束时停止，因此电弧熄灭。然而，在接下来的半个周期中，由于没有来得及冷却的金属部分的电子热发射以及持续一段时间的气隙残余电离，电压一升高，电弧就重新出现。电极之间达到称为点火电压的值。为了实现交流电弧的稳定燃烧，需要采取一定的措施。例如，使用特殊的电极，在其涂层的成分中添加具有低电离电势的物质。

电弧稳定性随着焊接电源开路电压的增加而提高（在负载关闭的情况下测量）。然而，该参数受到维修人员安全要求的限制，根据 GOST 95-77E，不应超过 80 V。

在电流源相对较低的开路电压下获得稳定电弧的普遍接受的方法是在焊接电路中串联感抗。结果是电流和电压之间出现相移。电弧熄灭时的零瞬时电流值对应于重新点燃电弧的最大电压。在这种情况下，开路电压为60...65 V的电源就足够了，另外，通过改变电感，可以调节焊接电流。

被电弧熔化的电极金属滴入 [2] 进入待焊接工件表面在电弧底部形成的液态金属池（该位置通常称为弧坑）。该过程首先在电极末端形成一层熔融金属。随着金属的积累，它会聚集成液滴，最终弥合电弧间隙。此时焊接电路发生短路，电流急剧增大。由此产生的电磁力破坏了液滴，并在其和电极末端之间出现了新的电弧。液滴加速落入火山口，部分金属以飞溅的形式从焊接区域喷出。

焊缝周围出现过多的冻结金属熔滴（只能用锤子和凿子才能清除）的原因通常在于焊接电源的负载特性（其输出电压取决于焊接电源的负载特性）。负载电流）。对于手工焊接，这样的特性是必要的，使得短路电流|kz超过额定焊接电流Icv不超过两倍[3]。

与手工不同，在保护气体环境中的半自动焊接是在与电弧静态电流-电压特性的上升段的开始相对应的较高电流密度下进行的。为了实现焊接过程的自调节，这里需要刚性负载特性（图 3 中的曲线 4）。

在非专业手工电焊中，主要使用交流电源。这是由于后者的简单性和廉价性，尽管焊接质量不如直流电所能达到的质量。即使在 10 - 15 年前，该行业实际上还没有生产家用电弧焊设备。现在情况发生了变化，市场上有不少设备在参数上相当适合家用。但它们的价格仍然超出了很多人的承受能力。因此，业余设计师们一如既往地试图用自己的双手创造这一技术奇迹。他们中的许多人虽然具有一些手工焊接的实际技能，但对焊接电源的要求却一无所知。结果，由简易材料“目测”制成的装置不能提供所需的焊接质量并且操作上不安全。

交流焊接电源的主要组件通常是特殊的单相焊接变压器。在它的帮助下，电源电压降低至焊接所需的值，同时将焊接电路与电源隔离。计算中使用的变压器[4]的等效电路如图5所示。 XNUMX.

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变比n为绕组w1/w2的匝数比（下文中，索引1和2分别指初级绕组和次级绕组）； U1、U2——绕组上的电压； r1、r2——它们的有源电阻； Rm——磁路中的损耗电阻； Lm 是与绕组公共磁通量相关的磁化电感； L1s、L2s - 由于每个绕组的部分磁通量在空间中消散而不与其他绕组相互作用而产生的漏感。利用等效电路，可以评估变压器某些参数对开路电压和短路电流等重要量的影响。

根据磁路的配置，可分为绕组位于中心铁芯上的铠装变压器（图6，a）和绕组位于一个或两个铁芯上的杆式变压器（图6，b）。杆式变压器的特点是效率更高、绕组冷却条件更好。后者可以通过设置增加的电流密度来减少绕组线的消耗。因此，除极少数例外，焊接变压器均制成棒式。磁路通常由厚度为 0,35 ... 0,5 mm 的电工（变压器）钢制成。

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变压器的绕组有圆筒形和盘形。圆柱形（图 7，a）缠绕在另一个之上。它们之间的距离很小，初级绕组的几乎整个磁通量都与次级绕组相互作用。因此，漏感L1s和L2s很小，短路电流仅受绕组有功电阻的限制，并且比运行电流大很多倍。如前所述，具有这种负载特性的变压器不适合手工焊接。必须辅以镇流电阻（变阻器）或扼流圈。

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这些元件大大增加了焊接源的尺寸和重量，并且其中不可避免的能量损失降低了其效率。在具有盘式绕组的变压器中（图 7，b），初级绕组的磁通量的很大一部分绕过次级绕组。结果，焊接电路中串联的漏感L1s和L2s比之前的情况更大，并且它们的电抗显着影响次级绕组的短路电流。正如已经指出的，焊接电路中电感的存在也有利于稳定的电弧燃烧。因此，盘绕变压器最适合手动交流焊接。有时，它们的绕组是可移动的，通过改变它们之间的距离，它们可以调节漏感，从而调节焊接电流。

焊接变压器的特殊性在于其负载不是恒定的。通常认为，在由实际焊接和暂停组成的一个循环中，带负载工作的时间所占的比例不超过60%。对于家用焊接变压器，通常采用更小的值 - 20%，这样可以在热状态不会显着恶化的情况下增加变压器绕组中的电流密度并减少磁窗口面积容纳绕组所需的电路。当焊接电流高达 150 A 时，铜绕组中的电流密度被认为是 8 A/mm2，铝绕组中的电流密度为 5 A/mm2 [5]。

对于给定功率，如果磁路中的感应达到所选材料的最大允许值，则变压器的尺寸和重量将最小。但业余设计师通常不知道这个值，因为他正在处理未知品牌的电工钢。为了避免意外，感应通常被低估，这导致变压器尺寸的不合理增加。

使用以下程序，可以确定任何可用变压器钢的磁性特性。横截面为 5 ... 10 cm2 的“实验”磁路由这种钢（图 8 中尺寸 a 和 b 的乘积）和 50 ... 100 匝软绝缘线组装而成，横截面为1,5 ... 2,5 绕在其中一个 2 mm2 的磁芯上。为了进一步计算，需要使用公式 lav \u2d 3,14h + XNUMXc + XNUMXa 求出磁力线的平均长度，并测量绕组 robm 的有功电阻。

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进一步，根据如图所示的方案， 9、组装测试装置。 T1——实验室可调自耦变压器（LATR）； L1 - “实验”磁路上的绕组。降压变压器T2的总功率至少为63V-A，变压比为8…10。

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逐渐增加电压，建立磁路中的感应V、Tl对磁场强度H、A/m的依赖性，类似于图10所示。 XNUMX、根据公式计算这些数量：

式中，U、I分别为电压表PV1、V和电流表PA1、A的读数； F——频率，Hz； S——“实验”磁芯的横截面积，cm2； w是其绕组的匝数。从得到的图表中，如图所示，求出饱和磁感Bs、最大磁感Bm以及交变磁场的最大强度Hm。

例如，假设开路电压 Uxx = 220 V 和最大焊接电流 Imax = 50 A，我们来计算设计为在 65 V、150 Hz 交流网络上运行的焊接变压器。

变压器总功率 Pgab=Uxx Imax = 65 150=9750 VA。

根据众所周知的公式，我们确定磁路截面积SM与其窗口面积So的乘积：

式中 J 为绕组中的电流密度，A/mm2； ks=0,95——钢磁路段的填充系数； Ko=0,33...0,4 - 铜（铝）窗口的填充系数。

假设Bm=1.42T，初级绕组采用铜线绕制，次级绕组采用铝线绕制（取电流密度平均值J=6.5A/mm2）：

SMSo=9750/(1,11·1,42·6,5·0,37·0,95)= = 2707 см4.

对于棒式变压器，建议采用以下尺寸比[6]（见图8）：b/a-2； c/a=1,6； h/a=2,5...5。选择h/a=4，我们计算尺寸a，cm：

假设a=40mm，则求出磁路剩余尺寸：b=2a=80mm； c=1,6a=32毫米； h=4a=160mm。

这种磁路变压器绕组一匝的电动势 Ev \u2,22d 10-XNUMX^-4Bmabkc=2,22 10^-41,42 3200 0,95 = 0,958 V。次级绕组匝数w2=Uxx/Ev=65/0,958=68。次级绕组线截面S2=Imax/J=150/5=30mm2（J=5A/mm2，因为次级绕组线是铝）。初级绕组匝数w1=U1/EB=220/0,958=230。初级绕组最大电流I1max=lmax·w2/w1=150-68/230=44,35A。初级绕组铜线截面S1=l1M/J=44,35/8=5,54mm2。

杆式变压器的初级和次级绕组通常分为两个相同的部分，放置在磁路的两个铁芯上。初级绕组的每个串联部分为115匝直径至少为2,65毫米的导线。如果初级线圈的各个部分要并联连接，则每个部分应包含 230 匝一半横截面的导线 - 直径至少为 1,88 毫米。同样，它们也分为次级绕组和次级绕组两部分。

如果绕组制成圆柱形，为了获得变压器的下降负载特性，应在次级串联一个电阻为0,2 ... 0,4欧姆的电阻，该电阻由直径至少为3Ω的镍铬合金丝制成。毫米。对于盘式绕组的变压器，不需要该电阻。不幸的是，精确计算这种变压器的漏感实际上是不可能的，因为它甚至取决于附近金属物体的位置。实际中，根据制造样品的测试结果，调整变压器的绕组和结构数据，采用逐次逼近的方法进行计算。详细的技术可以在[7]中找到。

在业余条件下，很难制造具有可移动（以调节电流）绕组的变压器。为了获得几个固定的电流值，次级绕组带有抽头。通过在电路中添加一种电感线圈（将焊接电缆放置在间隔中）可以进行更精确的调整（沿电流减小的方向）。

在继续制造计算出的变压器之前，建议确保其绕组将放置在磁路窗口中，同时考虑必要的技术差距、制造框架的材料的厚度以及其他因素。因素。尺寸c和h（见图8）必须进行“调整”，使得绕组的每一层适合所选导线的整数匝数，并且层数也是整数或略小于最接近的整数。应提供层间和绕组间绝缘的空间。

最成功的变体并不总是在第一次尝试中获得，通常需要重复且相当显着地调整磁路窗口的宽度和高度。在设计圆柱形绕组时，有必要优化选择其截面尺寸。通常，用粗线缠绕的次级绕组比初级绕组有更多的空间。

图 120 显示了两个焊接电流值（150 和 11 A）的变压器设计草图。 12，及其包含的电路 - 图 XNUMX。 XNUMX.

焊接变压器：计算和制造

较小的电流对应于较大的次级绕组匝数。这不是一个错误。众所周知，绕组电压与其匝数成正比，漏感与其匝数的平方成正比增加。结果，电流减小。

绕组放置在两个由厚度为 2 毫米的玻璃纤维板制成的框架上。每个框架上的初级和次级绕组的部分由相同材料的绝缘颊隔开。磁路框架上的孔比后者的横截面宽和长 1,5 ... 2 毫米。这消除了装配问题。为了防止框架变形，在缠绕过程中将其紧紧地固定在木心轴上。

初级绕组由两段（I'和I"）组成，位于不同的框架上，并联连接。每段为230匝直径为2毫米的PEV-1,9电线。如果有一根电线，直径为2,7毫米，分段可绕115匝，但必须串联。每一层线在缠绕下一层之前，应用木锤轻轻敲击压实，并涂上浸渍漆。厚度为 0,5 ... 1 mm 的层间绝缘纸板（电纸板）是合适的。

对于次级绕组，作者使用了横截面为 30 mm2 (5x6 mm) 的铝母线。如果您的轮胎横截面积大致相同但尺寸不同，则必须稍微改变胎体部分的宽度以适应缠绕。缠绕前，未绝缘的轮胎应用胶带或薄棉布紧紧包裹，并预先切成 20 毫米宽的条。绝缘厚度——不超过0,7毫米

II' 和 II" 部分各有 34 匝，III' 和 III" 部分各有 8 匝。总线分两层放置在框架上，宽边朝向磁芯。每层都用木锤轻轻敲击压实，并大量涂抹浸渍清漆。制成的线圈应进行干燥。干燥的温度和持续时间取决于浸渍清漆的品牌。

变压器磁芯采用0,35毫米厚的冷轧变压器钢板制成。与几乎黑色的热轧钢板相比，冷轧板的表面是白色的。您可以使用变电站安装的故障变压器磁芯中的钢板。期望根据上述方法来测试钢。如果实验获得的最大电感 Bm 值与计算中接受的值 (1,42 T) 显着不同，则必须重复计算结果，并在制造变压器时考虑结果。

钢板沿轧制方向切成40毫米宽的带材，再切成108毫米和186毫米长的板材。用锉刀或带有细槽口的锉刀去除毛刺。磁芯组装在“VPE 盖”中，在板的接合处具有尽可能最小的间隙。

成品变压器放置在由非磁性材料（例如铝）制成的保护壳中。外壳上必须开有通风孔。变压器通过带有横截面积至少为 220 mm6 的铜电力导体的电缆和地线连接到 2 V 网络，地线连接到变压器的磁路及其保护外壳。电源插座必须是三针（第三个接地），额定电流至少为 63 A。

次级绕组的末端牢固地连接到直径为 8 ... 10 mm 的螺纹黄铜螺柱，安装在安装在变压器保护壳上的耐热介电板上。横截面为 16 ... 25 mm2 的软铜线适合用作焊丝。

焊接电极（在没有现成电极的情况下）可以独立制作，例如使用[8]中的建议。将一根直径为 2 ... 6 mm 的低碳钢钢丝分成 300 ... 400 mm 长的直段。该涂料由 500 克粉笔和 190 克液体玻璃制成，用一杯水稀释。这个数量足够 100-200 个电极。

将准备好的金属丝几乎整个长度浸入涂层中，仅留下约 20 毫米长的末端未覆盖，取出并在 20...30°C 的温度下干燥。此类焊条适用于交流电和直流电焊接。当然，它们只能作为工业生产的临时替代品。它们不应该被用于负责任的工作。

文学

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作者：V.Volodin，乌克兰敖德萨

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