6.1 ї Общие сведения о машинах для контактной сварки

Контактная машина состоит из следующих основных частей:

1) силовой электрической части, служащей для выработки и подвода к свариваемым деталям сварочного тока;

2) привода сжатия соединяемых деталей и зажимных устройств, обеспечивающих приложение сварочных усилий; в основном используются пневматические, гидравлические, пневмогидравли - ческие и электромеханические приводы и устройства, а также пру­жинные (на машинах малой мощности);

3) аппаратуры управления, задающей требуемую последова­тельность работы машины по технологическому циклу, а также обеспечивающей взаимодействие всех систем машины;

4) системы принудительного, как правило, водяного охлажде­ния активных частей машины.

Контактные машины общего назначения, согласно ГОСТ 297—80*Е, классифицируют:

1) по конструктивному оформлению сварного соединения: точечные, шовные, рельефные и стыковые;

2) по конструктивному исполнению самой машины. Так, на­пример, точечные и шовные машины по характеру движения элект­рода делятся на машины прессового типа, если подвижной элект­род перемещается по прямой линии, и радиального типа, если дви­жется по дуге окружности. Машины могут быть стационарными и подвесными, причем последние бывают со встроенными или от­дельными трансформаторами;

3) по типу источника сварочного тока: машины переменного тока, низкочастотные, постоянного тока и конденсаторные;

4) по характеру усилия сжатия: с постоянным и переменным усилием;

5) по нормируемым техническим требованиям контактные ма­шины относят к одной из двух групп: группе А — при необходи­мости повышенной стабильности параметров и группе Б — при нормальной стабильности.

ГОСТ 297—80 регламентирует также обозначение контактных машин, которое позволяет извлечь полную информацию о типе и назначении машины. Обозначения могут состоять из один­надцати символов (позиций). Первая позиция занята буквой М— машина, вторая — одной из четырех букв Т, Ш, Р или С, в зависи­мости от того, относится обозначение соответственно к точечной, шовной, рельефной или стыковой машине. В третьей позиции ' отображается тип источника сварочного тока: В — постоянного тока, К — конденсаторная, Н — низкочастотная. Отсутствие бу-

квы указывает на машину переменного тока. Конструктивное ис­полнение отмечается буквами: Р — радиальная, П — подвесная. Если рассматривается стыковая машина, то указывается, для ка­кого конкретного способа стыковой сварки она предназначена; С — сопротивлением, О — оплавлением. В четвертой позиции для машин точечных, рельефных и шовных указывается наиболь­ший вторичный ток (в кА). Для стыковых машин отмечается мак­симальное усилие осадки (в кН).

В последующих позициях (5—11) соответственно отмечают но­мер модификации завода-изготовителя, климатическое исполнение по ГОСТ 15150—69*, группу (А или Б), напряжение и частоту питающей сети, а также при необходимости —экспортный вариант исполнения либо технические условия на машину, либо ГОСТ 297—80* Е.

Ряд требований стандарт предъявляет к качеству питающего напряжения, сжатого воздуха и охлаждающей воды. Стандарт допускает отклонение сетевого питающего напряжения от —1C до +5 % номинального значения, а давление сжатого воздуха в сетях должно находиться в пределах от —15 до +5 % от номи­нального давления, за которое принято 0,63 МПа. Установлены также глубина фазового (плавного) регулирования сварочного тока для точечных, шовных и рельефных машин в пределах 100—50 % и пределы ступенчатого регулирования. В конденсаторных маши­нах регулирование сварочного тока легко осуществляется изме­нением напряжения заряда батареи конденсаторов, которое, в свою очередь, должно регулироваться в широких пределах — от 100 до 40 %.

ГОСТ 297—80 регламентирует также точность установки тока короткого замыкания, усилия на электродах, смещение электро­дов в горизонтальном и вертикальном направлениях и ряд других характеристик. Кроме того, он определяет правила приемки и методы испытаний контактных машин, а также транспортировки, хранения и упаковки.

Одним из основных силовых электрических элементов кон­тактных машин является трансформатор. Условия работы таких трансформаторов существенно отличаются от используемых в дру­гих промышленных установках. Во вторичной обмотке трансфор­маторов контактных машин в повторно-кратковременном режиме протекают значительные токи, измеряемые обычно десятками и сотнями килоампер. В то же время полное сопротивление цепи нагрузки мало и составляет десятки и сотни микроом. Поэтому вторичное напряжение холостого хода обычно не превышает 12— 16 В, что также согласуется с требованиями техники безопасности. В связи с этим вторичная обмотка трансформатора обычно имеет один виток, реже два.

Исходя из накопленного опыта проектирования и эксплуатации контактных машин ГОСТ 297—80 предъявляет ряд требований к их трансформаторам, основными из которых являются следующие. 214

1. Отношение максимального и минимального значений ко­эффициента трансформации должно быть не менее 2,0— для ма­шин группы А; 1,4 и 1,8 — для машин группы Б при наличии и отсутствии фазового регулирования соответственно.

2. При наличии ступенчатого регулирования тока (секциони­рованной первичной обмотки) переход на каждую последующую ступень регулирования не должен вызывать уменьшения коэффи­циента трансформации более чем на 20 или 30 %, в зависимости от группы машины А или Б соответственно.

3. Для всякой ступени регулирования напряжение между дву­мя любыми выводами первичной обмотки не должно быть более 1000 В. Кроме того, на максимальной ступени межвитковая изоля­ция первичной обмотки должна выдерживать напряжение, на 30 % превышающее номинальное питающее.

Основным узлом трансформатора является магнитная система. Находят применение как стержневые, так и броневые сердечники. Для контактной сварки труб используют трансформаторы с коль­цевыми сердечниками.

Броневой сердечник применяется для уменьшения потоков рас­сеяния в магнитной системе трансформатора (уменьшения индук­тивного сопротивления). Он позволяет более удобно и надежно закрепить обмотки. Последнее важно в связи с наличием значи­тельных электродинамических сил, которые возникают при про­текании сварочного тока и могут вызвать смещение обмоток по отношению друг к другу, а также относительно сердечника, что приводит к быстрому истиранию изоляции.

Магнитопроводы изготавливают из электротехнических марок сталей толщиной 0,5 мм. Используется два основных метода из­готовления сердечников: шихтовка из отдельных пластин, поверх­ность которых предварительно покрывается изоляционным лаком; навивка из стальной ленты. Последний способ более производите­лен и технологичен. Поверхность ленты покрывают специальным составом, который после навивки сердечника и последующей тер­мообработки (спекания) обеспечивает надежную изоляцию и ме­ханическую прочность. Затем сердечник разрезают на две симме­тричные половины, для возможности заведения обмоток. Торцы поверхности разрезания тщательно обрабатывают.

Значительное повышение ресурса работы трансформатора за счет исключения поступления атмосферной влаги к изоляции и взаимного смещения обмоток дает заливка пакета первичной и вторичной обмоток эпоксидным компаундом. При этом обмотки получаются в виде единого монолитного блока.

Для ступенчатого регулирования сварочного тока первичная обмотка секционирована, что, в свою очередь, позволяет ступен­чато менять сварочный ток за счет изменения коэффициента транс­формации.

Наиболее широко используют схему соединения секций пер­вичных обмоток, предложенную заводом «Электрик» (рис. 6.1).

При использовании этой схеми удается удовлетворить основным требованиям ГОСТ 297—80. Напряжение на двух любых концах секций не превышает питающего.

Вся обмотка разбивается на несколько секций: обычно три, реже четыре. Каждая секция состоит из двух одинаковых диско­вых катушек; таким образом, число дисков четно, что позволяет наиболее удобно расположить их в окне сердечника. Число вит­ков при переходе от секции к секции наращивают обычно примерно в два раза.

Так как в пределах каждой секции катушки могут быть соеди­нены и последовательно, и параллельно, а число витков в секциях различно, то число ступеней регулирования N определяется чис­лом секций п : N — 2п. Таким образом, при наличии трех секций можно задать восемь ступеней регулирования, а при четырех — шестнадцать.

Большинство современных машин для контактной сварки ориентировано на использование переменного сварочного тока нор­мальной частоты. Силовые сварочные трансформаторы связываются с питающей сетью посредством включающих и выключающих уст­ройств самой разнообразной конструкции. Основой силовых комму­тирующих устройств машин переменного тока, получивших наз­вание контакторов, являются два включенных встречно-параллель­но управляемых вентиля (рис. 6.2, а), в качестве которых исполь­зуют тиристоры или игнитроны. Вследствие значительно меньших падений напряжений, меньших габаритных размеров и большей на­дежности запуска применение тиристоров более предпочтительно.

Применение электронных коммутирующих устройств на пер­вичной стороне позволяет также осуществлять в достаточно ши­роких пределах плавное регулирование первичного, а следова­тельно, и сварочного тока. Униполярный импульс сварочного тока можно получить кратковременно, подключив первичную обмотку сварочного трансформатора к источнику постоянного напряжения. Такой принцип положен в основу получения импульсов тока в низкочастотных машинах (рис. 6.2, б). Этот тип оборудования в то­чечных и шовных вариантах был разработан и освоен промышлен­ностью в конце 1950-х годов. В качестве управляемых вентилей силового выпрямителя СВ, являющегося источником постоянного напряжения, использовались в то время ртутные управляемые вентили — игнитроны. Аппаратура управления этих машин вы­полнялась на лампово-релейных схемах. В связи с этими двумя обстоятельствами работа низкочастотных машин была недостато­чно надежной. В 1970-х годах этот тип оборудования был вытеснен машинами постоянного тока и мощными конденсаторными. Внед­рение в контактные машины силовых полупроводников управля­емых вентилей — тиристоров, а также транзисторных и интеграль­ных схем управления сделало целесообразным вновь перейти к выпуску низкочастотных точечных и шовных машин на новой элементной базе.

При работе точечных и рельефных машин время протекания сварочного тока составляет относительно небольшую долю об­щего времени сварочного цикла, остальное время идет на опуска­ние электродов, сжатие деталей и т. п. При шовной сварке относи­тельное время протекания тока больше, чем при точечной и рель­ефной, однако не превышает, как правило, 50 %. Поэтому для сни­жения установленной мощности сварочного оборудования в ряде случаев целесообразно во время отсутствия сварочного тока про­изводить накапливание энергии сети в аккумулирующих устрой­ствах. В качестве накопителей энергии предлагалось использовать конденсаторы, электрические аккумуляторы постоянного тока, вращающиеся массы с последующим преобразованием механиче­ской энергии в электрическую, электромагнитные накопители и некоторые другие.

Промышленное использование получила конденсаторная сварка. Наиболее широко применяется схема трансформаторно­конденсаторной сварки, предложенная в 1934 г. Г. И. Б абатом. Для соединения деталей малых сечений используется также и бестрансформаторная сварка.

Упрощенная принципиальная схема силовой части конденса­торной машины дана на рис. 6.2, в. Конденсаторная батарея, емкость которой С может регулироваться ступенчато, во время

отсутствия сварочного тока заряжается от трехфазного управля­емого выпрямителя УВП. Напряжение заряда U0 может плавно регулироваться в широких пределах. Таким образом, энергия, накопленная в батарее, CUl/2, также регулируется в широких пределах. Для формирования импульса сварочного тока заряжен­ная батарея отключается от выпрямителя и через управляемый вентиль ВУ разряжается на первичную обмотку трансформатора ТС, при этом во вторичном контуре формируется импульс свароч­ного тока.

В современной практике контактной точечной сварки весьма часто используется колебательный разряд конденсатора. Кривая разрядного сварочного тока в этом случае определяется известной формулой

где U0 — напряжение батареи конденсатора в начале разряда; а — угловая частота,

С — емкость батареи конденсаторов, мкФ; п — коэффициент трансформации сварочного трансформатора (число первичных витков при одном вторичном).

Отношение г/(2Ь) дальше обозначено через 6 (1 /с), т. е. 6 = = г/(2Ь), где г — активное сопротивление сварочного контура ма­шины и суммарное сопротивление всех контактов между электро­дами точечной машины, мкОм; L — коэффициент самоиндукции сварочного контура, мГ.

Согласно уравнению (6.1), эффективный ток сваривающей волны

Для одной из конденсаторных машин на рис. 6.3 наглядно по­казаны формы кривых сварочного тока в зависимости от изменения основных параметров машины: числа витков в первичной цепи п, емкости батарей С и индуктивности сварочного контура L. Как видно, длительность включения тока, его амплитудное значение могут меняться в достаточно широких пределах для каждой - ма­шины. Весьма существенно и различие в скорости нарастания сва­рочного тока при каждом регулировании кривой тока.

В последнее время все большее распространение получают контактные машины постоянного тока, выпрямленного на вторич - 218
иой стороне (рис. 6.2, г). В них сварочный контур строится так же, как схема трехфазного одноподупериодного выпрямле­ния. Первичная, тоже трехфаз­ная система ПТВ, обеспечивает подачу на трансформатор ТС импульсов переменного сетево­го тока.

Представляет интерес сопо­ставление машин переменного и униполярного токов с техноло­гической точки зрения, особен­но применительно к сварке ме­таллов с относительно высокими тепло - и электропроводностью, при равных возможностях свар­ки деталей по толщине. При протекании тока любого рода через свариваемые детали наи­большая плотность тока дости­гается в периферийных зонах контактов электрод—деталь и деталь—деталь. Значительная неравномерность плотности то­ка в контакте электрод—де­таль интенсифицирует износ

электродов при сварке на переменном токе, а в контакте деталь— деталь увеличивает вероятность конечного внутреннего выплеска. Последнее связано с интенсификацией тепловыделения в районе уплотняющего пояска.

Экспериментальные данные П. Л. Чулошникова показали, что при точечной и шовной сварке алюминиевых, жаропрочных и вы­сокопрочных сталей при вероятности выплеска 10 % на униполяр­ном токе можно получить диаметр точки на 15—20 % выше, чем на переменном. По этой же причине при использовании машин уни­полярного тока можно в среднем на 10 % уменьшить величину нахлестки.

Тепловыделение в соединяемых деталях при сварке на пере­менном токе с использованием глубокого фазового регулирования принципиально носит пульсирующий характер. Во время значи­тельных спадов тока и разрывов в его протекании тепловыделение падает или полностью прекращается — происходит остывание металла. Это явление слабо влияет на формирование точки при сварке металлов с относительно низкой теплопроводностью, осо­бенно при сочетании деталей значительных толщин — в этом слу­чае существенно сказывается тепловая инерционность. Металлы с низкой теплопроводностью (например, титан и его сплавы, Кор­еї 9
розионно-стойкие и жаропрочные стали, углеродистые стали и т. п.) сваривают обычно на машинах переменного тока с любым регули­рованием кривой сварочного тока. Для металлов малых толщин (до 1 мм) и высокой теплопроводности тепловая инерция сказы­вается недостаточно, формирование точки может носить пульсиру­ющий характер. Для получения заданного размера диаметра ли­того ядра при сварке на переменном токе, по сравнению с унипо­лярным, приходится увеличивать амплитуду тока, из-за чего воз­растают вероятность выплеска и износ электродов.

При стыковой контактной сварке вследствие меньших удель­ных плотностей внутренних источников теплоты и большего вре­мени нагрева осредняющее действие тепловой инерции сказыва­ется в большей степени. Процессы стыковой сварки обычно ведут поэтому на переменном токе. Однако следует учитывать, что для устойчивости процесса оплавления униполярные токи предпочти­тельнее.