В зависимости от типа рабочих конденсаторов, в зна­чительной мере определяющих характеристики машины, КМ можно разделить на две группы. К первой относятся машины с батареями бумажных конденсаторов на рабочее напряжение 1000—6000 В и общей емкостью не более 10000 мкФ. Для этих КМ характерны «жесткие» импульсы сварочного тока: длительность импульса не более 0,01 с, вре­мя нарастания тока порядка 0,001 с. При сварке такими импульсами тока высока вероятность образования выпле­сков и усадочных дефектов в сварочных соединениях. Во избежание выплесков необходима точная подгонка и хоро­шая подготовка свариваемых деталей. Высокое напряже­ние на конденсаторах требует дополнительных затрат при изготовлении машин и представляет повышенную опас­ность при их эксплуатации. Требования к изоляции и обес­печению безопасности обслуживания несколько снижаются для части машин первой группы, преимущественно КМ ма­лой мощности, рабочее напряжение которых не превыша­ет 1000 В.

Ко второй группе относятся КМ с батареями электро­литических импульсных конденсаторов на рабочее напря­жение 300—450 В и общей емкостью до 500 000 мкФ и более. Эти машины отличаются более широкими техноло­гическими возможностями: сварка на них осуществляется как «мягкими» импульсами тока: длительностью до 0,3 с и временем нарастания тока до 0,08 с, так и относительно «жесткими» импульсами. По условиям безопасности экс­плуатации КМ второй группы не отличаются от машин контактной сварки других видов, так как рабочее напря­жение на конденсаторах не превышает максимального зна­чения напряжения электросети 380 В. Недостатками КМ второй группы по сравнению с КМ первой группы являют­ся меньший темп работы (30—40 сварок в минуту вместо 60—100) и большие по размерам и массе батареи конден­саторов.

Машины первой группы — это в основном машины ран­них выпусков. В последние годы КМ с «жесткими» им­пульсами называют машинами «ультраимпульсной» свар­ки. Создание КМ второй группы стало возможным после появления в середине 50-х годов новых электролитических конденсаторов с высокой удельной энергоемкостью, рас­считанных на длительную работу в импульсных режимах 18
при среднечасовом темпе до 30 сварок в минуту (кратко­временно — до 60).

Схемы электрических устройств КМ отличаются чрез­вычайным многообразием, что объясняется как различным назначением машин, так и различным подходом к реше­нию двух основных задач: обеспечения высокой стабильно­сти напряжения на конденсаторах и возможности регули­рования тока в процессе сварки.

По способу осуществления заряда рабочих конденсато­ров различают КМ с автоматическим поддержанием на­пряжения на конденсаторах на заданном уровне (с подза­рядом конденсаторов) и КМ с релаксационным сбросом напряжения в момент достижения им заданного уровня без подзаряда конденсаторов. Если в циклах работы КМ выделить только основные операции, то машины первого типа имеют цикл заряд — подзаряд — разряд, машины второго типа — заряд — разряд.

В КМ с подзарядом конденсаторов заряд последних на­чинается сразу после окончания операции «сварка» (рис. 1.4). На рисунке FCx — усилие сжатия электродов. В зависимости от установленных значений Сн, Uc и време­ни «пауза» заряд батареи может закончиться в любой мо­мент времени до начала разряда конденсаторов. Незави­симо от длительности промежутка времени между оконча­нием заряда и началом разряда заданный уровень Uc 2* 19

автоматически поддерживается благодаря периодическому подзаряду конденсаторов. При длительности цикла, соот­ветствующей номинальному темпу работы машины, время заряда батареи максимальной емкости Сн до максимального уровня Uc примерно равно суммарному времени операций «пауза» и «сжатие». Таким образом, в КМ с подзарядом конденсаторов заряд осуществляется в течение большей части времени цикла (продолжительность заряда равна примерно 80% продолжительности цикла при номинальном темпе работы машины), что позволяет существенно сни­зить потребляемую из сети мощность. Последнее особенно важно при запасании больших количеств энергии, и поэто­му практически все мощные КМ являются машинами с лодзарядом конденсаторов.

С целью выравнивания (усреднения) в процессе заряда потребляемой мощности, а также с целью стабилизации напряжения на конденсаторах в КМ с подзарядом конден­саторов применяют различные схемы регулирования за­рядного тока за счет изменения ограничивающего (бал­ластного) сопротивления в зарядной цепи Re, выпрямлен­ного напряжения U„ и угла включения зарядных вентилей с (фазовое регулирование тока). Фазовое регулирование наиболее удобно и поэтому нашло широкое применение в современных КМ.

В машинах без подзаряда конденсаторов заряд бата­реи начинается после окончания операции «сжатие» (рис. 1.4). Это обусловлено тем, что к моменту окончания заряда конденсаторов свариваемое изделие должно нахо­диться под заданным давлением, так как разряд конден­саторов (сварка изделия) происходит автоматически в момент достижения заданного уровня Uc. Таким образом, і., ерация заряда конденсаторов не совмещена во времени с другими операциями цикла машины, что при прочих рав­ных условиях (одинаковое время операций, равные по­требляемые мощности и т. д.) увеличивает длительность цикла и снижает производительность КМ без подзаряда по сравнению с КМ с подзарядом конденсаторов. При оди­наковой производительности КМ без подзаряда потребля­ет большую мощность. Однако это обстоятельство не яв­ляется существенным, если значение мощности не превы­шает нескольких киловольт-ампер. Поэтому система релаксационного сброса Uc находит применение в мало­мощных КМ с запасаемой энергией до 1000 Дж, так как схема управления в этом случае является более простой и надежной.

Релаксационный сброс Uc может осуществляться как без отключения зарядной цепи в момент разряда конден­саторов, так и с отключением ее. В последнем случае про­изводится шунтирование неуправляемого зарядного выпря­мителя, в результате чего происходит гашение зарядного тиристора в цепи вьіпірямительнного тока. Это способствует стабилизации Uc при наименьших значениях Сн и Uc, ког­да заряд конденсаторов осуществляется в течение несколь­ких полупериодов напряжения сети.

В зависимости от того, изменяется направление токов в обмотках сварочного трансформатора в каждом цикле или остается неизменным, различают КМ с двухполярны­ми и однополярными импульсами тока. Как указывалось выше (см. § 1.2), в большинстве КМ с однополярными им­пульсами тока применяются сварочные трансформаторы, магнитопроводы которых имеют воздушные зазоры. Одна­ко существуют КМ этого типа, трансформаторы которых не отличаются от трансформаторов такой же мощности, ис­пользуемых в КМ с двухполярнымн импульсами. Магнит­ное насыщение предотвращается в этом случае перемаг - ничиванием магнитопроводов за счет пропускания через первичные обмотки трансформаторов импульсов тока об­ратного направления. Последние получают от специальных или зарядных выпрямителей, подключая их к первичным ■обмоткам после прохождения разрядных импульсов тока. Иногда в качестве перемагничивающего тока используется зарядный ток конденсаторов. Применение КМ с однопо­лярными импульсами тока в одних случаях обусловлено относительной простотой их схемы, в других — необходи­мостью учитывать эффект Пельтье, проявляющийся при сварке некоторых пар металлов и сплавов с различными физико-химическими свойствами.

В КМ с двухполярными импульсами тока применяются различные схемы силовых разрядных цепей. Так, напри­мер, в шовных машинах и машинах для точечной микро­сварки двухполярные импульсы тока получают с помощью последовательных инверторов в разрядных цепях КМ. Схе­ма одной из силовых разрядных цепей такого рода приве­дена на рис. 1.5, а. Импульсы одной полярности (1, 3, 5) формируются в моменты включения тиристора VS1, под­ключающего коммутирующую батарею конденсаторов Ск к предварительно заряженной накопительной батарее С„, импульсы другой полярности (2, 4) — в моменты включе­ния тиристоров VS2. Первые являются импульсами заряд­ного тока, вторые — импульсами разрядного тока батареи С к. В качестве источника энергии применяется накопитель­

ная батарея конденсаторов Сн, емкость которой примерно в 10 раз превышает емкость батареи конденсаторов Ск Эта схема и различные ее варианты реализованы в оте­чественных КМ разных типов.

Известны схемы КМ (рис. 1.5, б), в разрядных цепях ко­торых применены инверторы мостового типа с коммутиру­ющей (рабочей) батареей конденсаторов в диагонали мо­ста. В этих КМ могут быть получены как двухполярные,

так и однополярные импульсы тока; в первом случае пер­вичная обмотка сварочного трансформатора включается в диагональ моста последовательно с коммутирующей бата­реей, во втором — во внешнюю цепь моста.

Наряду с КМ обычного типа, импульсы тока которых не регулируются в процессе сварки, разработано большое число схем КМ с регулируемыми импульсами тока. По способам получения таких импульсов КМ можно условно разделить на машины с комбинированными, модулирован­ными и прёобразованными импульсами тока.

В КМ с комбинированными импульсами тока сочетают разрядный ток батареи конденсаторов с током другого рода, получаемым при подключении сварочного трансфор - 22

матоіра к электросети или зарядному выпрямителю маши­ны. Дополнительный импульс тока используется для пред­варительного подогрева свариваемых деталей и для термо­обработки их между электродами машины.

На рис. 1.6 представлена схема машины, импульс тока которой состоит из трех частей. Заряд батареи Сн до за­данного напряжения осуществляется через зарядный вы­прямитель VS1 при наибольшем вторичном напряжении трансформатора Т. После окончания заряда размыкается

зарядная цепь батареи Сн. Пониженное напряжение транс­форматора Т через выпрямитель VS2 подается на первич­ную обмотку сварочного трансформатора ТС, и в свароч­ном контуре машины протекает подогревный импульс вы­прямленного тока іп. Через заданное время включается тиристор VS3, вследствие чего происходит разряд батареи Сн и формируется сварочный импульс тока ісв. Выпрями­тель VS2 при этом запирается, так как напряжение (Jc на батарее Сн превышает напряжение UB на выпрямителе VS2. При снижении С с до уровня, при котором напряже­ние на обмотке трансформатора ТС становится ниже на­пряжения Uв, вновь включается выпрямитель У52. В ре­зультате в сварочной цепи проходит импульс выпрямлен­ного тока термообработки іт, используемый для
замедленного охлаждения свариваемых деталей. Схема позволяет в широком диапазоне регулировать форму им­пульса сварочного тока, однако относительная сложность конструктивного воплощения и большая масса сварочно­го трансформатора ограничивают ее применение.

В КМ с модулированными импульсами тока регулиро­вание формы разрядного тока конденсаторов осуществля­ется чаще всего за счет применения регулируемого сопро­тивления в разрядной цепи или использования нескольких рабочих батарей конденсаторов. В качестве регулируемых

сопротивлений используются дроссели с воздушными за­зорами в магнитопроводах и с подмагничиванием, а так­же транзисторы.

На рис. 1.7 показана схема КМ, в разрядную цепь ко­торой включен либо дроссель с воздушным зазором в маг - нитопроводе, либо транзистор. В начале разряда батареи конденсаторов Сн на первичную обмотку трансформатора ТС ток нарастает относительно медленно вследствие боль­шого индуктивного сопротивления дросселя L. После на­сыщения магнитопровода сопротивление дросселя L резко уменьшается и крутизна фронта нарастания тока увеличи­вается. Регулирование формы фронта импульса осуществ­ляется изменением воздушного зазора и числа витков обмотки дросселя. Применение дросселя обеспечивает в основном сдвиг максимума тока относительно момента его включения. Для специальных КМ с узким диапазоном из­менения сварочного тока схема вполне применима и дает неплохие результаты; для универсальных КМ с широким диапазоном регулирования сварочного тока применение схемы нецелесообразно из-за сложности изготовления и настройки в процессе эксплуатации дросселя L. Транзи­
стор VT в разрядной цепи позволяет получать разрядный ток конденсатора іут в виде импульсов прямоугольной формы. Применение транзистора дает возможность не только изменить форму тока, но и точно дозировать коли­чество выделяемой при сварке энергии благодаря исполь­зованию обратных связей, например по падению напряже­ния на электродах или по сварочному току. Следует, одна­ко, заметить, что ввиду малой мощности транзистора VT эта схема может найти применение лишь в КМ для микро-

сварки. В КМ с модулированными импульсами тока, со­держащих две и более рабочие батареи конденсаторов, ре­гулирование формы и увеличение длительности импульса тока осуществляются путем последовательного разряда батарей.

На рис. 1.8 изображена схема силовой части КМ, бата­реи конденсаторов которой имеют разделенные зарядные и разрядные цепи. Катоды тиристоров зарядного выпрями­теля VS1 и VS2 разъединены, и одно плечо выпрямителя включено в зарядную цепь батареи Сні, второе плечо — в цепь батареи Сн2. Благодаря этому возможен заряд ба­тарей до разных уровней напряжения: более низкий уро­вень на батарее Сні получают за счет того, что подачу уп­равляющих импульсов на тиристор VS1 прекращают рань­ше, чем на тиристор VS2. При сварке вначале осуществля­ется разряд батареи Сні через тиристор VS1, затем разряд
батареи Сн2 через тиристор VS2, в результате чего фор­мируется импульс тока, состоящий из двух частей: подо­гревной іп и сварочной і'св. В зависимости от времени /0 задержки разряда батареи СН2 и уровней напряжения на батареях изменяются форма и амплитуды обеих частей импульса тока. При больших значениях t0 схема позволя­ет получать два отдельных импульса тока с регулируемой паузой между ними. Ввиду относительной простоты и во многих случаях достаточной эффективности схема нашла применение в ряде КМ как малой, так и большой мощно­сти. К недостаткам схемы следует отнести трудности управления по времени включением тиристора, ком­мутирующего сварочный ток, связанные с изменени­ем длительности импульсов i„ и ісв при изменении емко - сти батарей конденсаторов и коэффициента трансфор­мации.

Кроме рассмотренных вы­ше схем КМ с модулирован­ными импульсами тока, можно отметить также схемы с управляющей батареей конденсаторов и с двойной разряд­ной цепью. В первой КМ модуляция тока осуществляется за счет наложения на процесс разряда рабочей батареи зарядно-разрядных процессов управляющей батареи, под­соединенной к первичной обмотке сварочного трансформа­тора. Во второй КМ (рис. 1.9) изменение тока происходит за счет переключения разрядных цепей в процессе раз­ряда батареи конденсаторов. Вначале батарея Сн разря­жается через тиристор KS2 на полную первичную обмот­ку сварочного трансформатора ТС. Через заданное время или при заданном напряжении на батарее Сн включается тиристор VS1, и разряд батареи Сн продолжается на часть обмотки трансформатора ТС. В результате уменьшения коэффициента трансформации п вторая часть импульса тока имеет более крутой фронт нарастания и большую амплитуду. Первая часть импульса используется для пред­варительного подогрева, вторая — для сварки деталей. Форма импульса регулируется за счет изменения задерж­ки включения тиристора VS1 и соотношения чисел витков секций обмотки трансформатора ТС. Схема проста и поз­воляет весьма эффективно регулировать форму импульса, однако сложность изготовления сварочного трансформато-

pa с отпайками и развиваемые в нем повышенные напря­жения порой сдерживают ее применение.

Рассмотренные выше схемы не обеспечивают достаточ­но широкого регулирования формы импульса сварочного тока, так как не позволяют воздействовать на разряд конденсаторов в процессе сварки или число таких воздей­ствий недостаточно. В настоящее время наибольшие воз­можности управления током в процессе сварки реализова­ны в КМ с преобразованными импульсами тока, содержа­щих в разрядных цепях различного рода инверторы и устройства гашения тока. Преобразование с помощью ин­верторов разрядного тока батареи в первичный ток повы­шенной частоты используется для различных целей (во избежание путаницы будем различать импульсы — основ­ной и отдельные, последовательность которых образует основной импульс первичного или сварочного токов). Из­менение числа отдельных импульсов в пачке (основном импульсе) позволяет достаточно точно регулировать об­щее количество энергии, выделяемой в зоне сварки. Изме­нение амплитуды и скважности отдельных импульсов по обратным связям позволяет автоматически регулировать сварочный ток. Этот способ регулирования осуществляет­ся в КМ с автономным последовательным инвертором (ва­риант таких схем показан на рис. 1.5).

Наиболее гибкое изменение сварочного тока с целью регулирования тепловыделения в процессе сварки дости­гается в КМ с периодическим гашением разряда и в КМ с двойным преобразованием тока. Изменение частоты первичного тока в этих КМ позволяет регулировать тепло­выделение за счет соответствующего изменения частоты сварочного тока (при подобии импульсов токов) или за счет изменения импульса сварочного тока (при отсутствии подобия импульсов первичного и сварочного токов).

Одна из схем КМ с периодическим гашением разряд­ного тока в процессе сварки приведена на рис. 1.10, а. При первом включении тиристора KS2 происходит заряд ком­мутирующего конденсатора Ск до напряжения, несколько превышающего напряжение на накопительном конденса­торе Сн с полярностью, отмеченной на рисунке, после чего тиристор VS2 выключается. Затем включается тиристор VS1, и через него начинается разряд конденсатора Сн на первичную обмотку сварочного трансформатора ТС. Од­новременно происходит перезаряд конденсатора Ск по це­пи индуктивность L — диод VD1 — тиристор VS1. Через короткий промежуток времени t, в течение которого про­исходит лишь частичный разряд конденсатора Сн, включа-

ется тиристор KS2, в результате чего осуществляется га­шение разряда конденсатора Сн вследствие запирания тиристора VS1 отрицательным напряжением на конденса­торе Ск. После нового перезаряда конденсатора Ск (ана­логично заряду Ск при первом включении KS2) выключается тиристор VS2 и цикл частичного разряда С„ заканчивается. Затем цикл многократ­но повторяется. В паузы между разрядами конден­сатора Сн первичный ток, замыкающийся через диод VD2, поддерживается за счет запасенной в сварочном кон-

туре КМ энергии. Форма импульса сварочного тока регу­лируется за счет изменения частоты следования импульсов разрядного тока путем изменения длительности пауз меж­ду включениями тиристоров. Использование при регулиро­вании обратной связи по сопротивлению свариваемых де­талей способствует стабилизации качества сварки. Данная схема позволяет изменить ісв в весьма широких пределах. Однако существенный недостаток схемы заключается в одностороннем протекании тока разряда через сварочный трансформатор, что вызывает значительное увеличение размеров магнитопровода и, следовательно, массы и объе­ма сварочного трансформатора.

В КМ с двойным преобразованием тока в первичной цепи применяется инвертор, во вторичной — неуправля­емый силовой выпрямитель. Разработана и нашла примене­ние схема, где используются последовательный инвертор с обратными диодами и резонансный контур, включенный последовательно с первичной обмоткой сварочного транс­форматора. Другая схема КМ, опытный образец которой находится в промышленной эксплуатации, приведена на-' рис. 1.10, б. В первичной цепи машины имеется мостовой инвертор VS1—VS4, в диагональ которого последователь­но с коммутирующей батареей Ск включена первичная обмотка сварочного трансформатора ТС. При включениях инвертора происходят частичные разряды накопительной батареи Сн, в результате чего по первичной обмотке про­ходит переменный ток повышенной частоты. При этом во вторичной цепи машины, содержащей неуправляемый вы­прямитель на мощных диодах VD1, VD2, формируется им­пульс выпрямленного тока. Регулирование сварочного то­ка в процессе сварки производится путем изменения дли­тельности пауз между включениями плеч инвертора. Многократное воздействие на сварочный ток, осуществля­емое по заданной программе или по обратной связи, обес­печивает формирование импульса сварочного тока практи­чески любой формы. Благодаря глубокому регулированию- тока, в том числе длительности импульса, КМ этого типа является наиболее универсальной по технологическим возможностям среди известных КМ. Однако сложность схемы, связанная с этим ненадежность, а также дополни­тельные потери на диодах и коммутационные в разрядной цепи, приводящие к увеличению емкости батареи конден­саторов на 30—50% по сравнению с традиционными КМ, ограничивают применение этой схемы областью, где вы­соки требования к качеству сварных соединений или не­регулируемый импульс тока неприемлем по технологии.