Проектирование технологии контактной сварки начинается с расчета режима сварки единичного соединения. После этого рассчитываются все возможные электрические процессы в свароч­ном контуре, связанные с размерами деталей, свойствами металла, числом сварных соединений.

Эффекты шунтирования тока, индуктивность деталей внесут коррективы в расчетные значения вторичных токов. Если рассмот­реть наиболее сложный случай точечной сварки крупногабаритных конструкций, то полное электрическое сопротивление сварочного контура Z2 сложится из следующих составляющих:

^2 — (Яээ гк)2 “Ь (*к “Ь ХМЛ “Ь *мк)2> (6.3)

где R33 — сопротивление металла и контактов между губками машины при стыковой сварке и между электродами при точечной и шовной сварке.

Для точечной сварки в общем случае

Яээ = гт + 2£п, (6.4)

где гт — электрическое сопротивление горячей точки; 2RU — переходные сопротивления контакта от электрода к деталям.

Для стыковой сварки методом сопротивления

Яээ = Як. ср + 2£м-Ь2Яп, (6.5)

где RKm ср — среднее значение сопротивления контакта; 2RM — сопротивление концов свариваемых деталей; 2Rn — переходное сопротивление между зажимными губками и свариваемыми де­талями.

И расчеты, и измерения показывают, что если величину 2RM учитывать как сопротивление деталей при средней температуре, 220
равной половине температуры точки плавления, то составляющую Ru. op можно не учитывать совсем. Для стыковой сварки оплавле­нием, наоборот, в сумме Raa составляющая Roa играет главную роль.

Формула (6.3) в полном ее начертании относится к сварке стальных магнитных деталей на машинах переменного тока. Если же речь идет об использовании выпрямленного тока, то все индук­тивные составляющие выпадают. Полное сопротивление свароч­ного контура определяется тогда только суммой активных со­противлений гк — самого вторичного витка и нагрузочного сопро­тивления R3э. Сварщику-технологу оперировать всеми этими со­противлениями приходится в двух особых случаях практики.

1. При выборе готовой, существующей машины, способной обес­печить проектируемую технологию, или при составлении техниче­ского задания на проектирование новой машины.

2. При определении способности машины вести сварочный про­цесс для каких-то новых, еще только проектируемых конструкций, если известны электрические параметры этой машины.

Правильный выбор готовой или заказ новой машины осущест­вляется в том случае, если машина без систематической перегрузки, но и без большого запаса неиспользуемой электрической и механи­ческой энергии сможет обеспечивать заданный технологический цикл. Это значит практически, что всякая контактная машина по ее электрическим и механическим параметрам должна работать, как правило, на режимах' на 20—25 % ниже ее предельных. Та­кого рода рекомендации полезны не только для длительной сохран­ности машины, но и работоспособности ее в гибких автоматизиро­ванных производствах (ГАП).

Изложенные выше соображения говорят о том, что электриче­ские и механические расчеты, к которым должен иногда прибегать технолог, могут вестись с меньшими точностями, чем те, которыми занимаются профессионалы-проектировщики контактных машин. К сожалению, и приближенные расчеты, например, электрических параметров машин для технологов оказываются не слишком лег­кими. Наиболее просто определяются электротепловые способ­ности машин. Завод-изготовитель в паспортных данных показы­вает значение вторичных токов длительного или прерывистого ре­жима либо и те, и другие числа.

В условиях эксплуатации далеко не всегда машина обязана работать по стандартно заданному циклу. По этой причине тех­нологу всегда необходимо произвести пересчет токов для приня­того значения ПВ в данном производстве. Здесь следует вспомнить закон прерывистой работы любой электротехнической системы

/дл = Inn /ПВ, (6.6)

где

(6.7) 221

/д® — безопасный для машины ток длительного включения; Їпв — сварочный ток, используемый в данном сварочном цикле; tc — время включения сварочного тока; ta — время паузы между циклами включения.

Ток прерывистого включения /„. в может быть таким, чтобы нагрев всех активных частей машины не превышал тех допущенных для данной машины норм, какие конструкторы машины опреде­лили в качестве предельных для длительного включения.

Электрические характеристики сварочного контура (ZK — полное его сопротивление; х„, г„ — индуктивное и активное со­противления, измеряемые обычно в микроомах) сварщик-техно­лог должен уметь оценить во всех случаях, хотя бы и прибли­женно.

Заводы-изготовители сообщают потребителям вторичные на­пряжения холостого хода машин по ступеням регулирования. Эти данные можно считать абсолютными н не зависящими от конструкции вторичного контура. Другое дело — внешние харак­теристики машин, которые заводы-изготовители также сообщают потребителю, но только для определенной заводом избранной кон­струкции сварочного контура и его размеров. Внешние характери­стики завода дают возможность определить значение ZK, которое вычисляется делением напряжения холостого хода на силу тока короткого замыкания. На внешних характеристиках контактных точечных и шовных машин следут остановиться подробнее.

В современных условиях производства для подавляющего боль­шинства свариваемых изделий и конструкций оказываются вполне достаточными сравнительно небольшие размеры сварочных конту­ров. Для большинства точечных и шовных машин расстояние от точечных или роликовых контактов до корпуса (вылет электродов) не превышает 60 см. Раствор токоведущих шин составляет около 40 см. Но уже и для таких размеров площади, охватываемой кон­туром сварочного тока, полное сопротивление контура имеет зна­чительную величину — 400—500 мкОм в зависимости от конструк­ции токоведущих шин.

Если не учитывать разнообразие этих конструкций, то по опыт­ным данным многих старых и новых машин можно построить кри­вую ZK = / (S). Площадь контура S определяют как произведе­ние вылета электродов а на раствор токоведущих шин Ъ. На рис.

6.4 построена кривая ZK = / (ab) в виде области, в пределах ко­торой вписываются значения сопротивлений очень многих точеч­ных и шовных машин. По этой зависимости технолог может при­ближенно оценить то значение ZK, которое у него получается при проектировании сварочного цикла для известной ему по габарит­ным размерам свариваемой конструкции. К сожалению, для опре­деления полного сопротивления сварочного контура с учетом ин­дуктивности свариваемых деталей график, приведенный на рис. 6.4, прямо не дает значения хк: эту величину следует приближенно принимать по нижней границе штрихованной области.

Зависимость ZK = f (S') показывает, насколько пере­менный ток даже нормальной частоты создает низкий элек­трический КПД в сварочном контуре. С этим обстоятельст­вом придется мириться еще длительное время: до тех пор, пока машины постоянного то­ка с выпрямлением в свароч­ном контуре не вытеснят ма­шины переменного тока. В том, что такое вытеснение произойдет в заметных мас­штабах, сомневаться не следует, если учесть основную особен­ность машин постоянного тока — почти нулевое индуктивное со­противление сварочного контура.

Машины постоянного тока (дорогие и сложные в изготовлении) имеют огромное преимущество, так как позволяют осуществлять вылеты электродов и роликов на большое расстояние. Машины такого рода, как, например, МШВ-6301 (МТВ-6301), имеют вылет 134 см и минимальный раствор контура 30 см. При такой площади ее ZK на переменном токе создавал бы величину не менее 600 мкОм. При напряжении холостого хода 4,5 В ток короткого замыкания не превышал бы 7,5 кА. В действительности, в машине типа МТВ-6301 через свариваемый контакт проходит выпрямленный вто­ричный ток. Активное сопротивление короткого замыкания вторич­ного витка приблизительно 55 мкОм. Следовательно, не только токи короткого замыкания, но и рабочие сварочные получаются более 70 кА, поскольку сварочная нагрузка тоже состоит из активных сопротивлений:

Raa = гч ~Ь ~Ь Rax> (6-8)

где г* — сопротивление горячей точки в момент выключения тока; 2Rn — два переходных сопротивления от электродов к изделию; Двх — электрическое сопротивление, которое может создаваться за счет энергии вихревых токов, возникающих в свариваемых де­талях при импульсных включениях униполярного тока. Для ил­люстрации этого эффекта можно произвести конкретный расчет. Рассматривая свариваемую деталь как тороид, который пронизы­вается импульсом тока, для обеих сторон этой детали потери на вихревые токи определяются по формуле

(6.9)

Здесь Рвх — потери энергии (в Вт) на вихревые токи, отнесенные к 1 см2 поверхности; р — удельное сопротивление металла; / — частота тока; В — магнитная индукция в металле; Я — напря­женность поля, созданного сварочным током.

Имея в виду в первую очередь сварку, например, алюминиевых сплавов, для которых пока и используются машины постоянного тока, имеем равенство В — Н. Следовательно, из формулы (6.9) находим

УІРI-

Положим в среднем

Я = I/(ndT 2),

тогда

рВя = i2Vpf/( 10V4).

Следует иметь в виду, что на расстоянии D « 10dT магнитное поле практически гаснет до нулевого значения. Тогда независимо от действительного габаритного размера свариваемого узла, может быть и очень большого, площадь, на которой действуют вихревые токи, можно оценивать так: 102itd|/4. Отсюда

РВЇ = Р яІООДІО4^)

и, соответственно, эквивалент сопротивления вихревым токам

Явх = 25угр//104. (6.10)

Приведем численный пример. Допустим, идет сварка алюминие­вых сплавов на конденсаторной машине или на машине постоянного тока. Удельное сопротивление холодного металла: р = 3,5- 1СГв Ом-см. При времени действия сварочного импульса t = 0,04 с / = 25 Гц, тогда по формуле (6.10)

#вх = 25/3,5-25/(104-103) = 23 мкОм.

При более коротком импульсе, например при t = 0,004 с, значение вихревого сопротивления возрастает до 73 мкОм.

Как видно, с вихревыми сопротивлениями надо считаться при импульсных режимах, даже имея дело с металлами высокой элек­тропроводности. Этот пример снова показывает обязательную не­обходимость при всех расчетах и режимах сварки, а также пара­метрах оборудования не пренебрегать бездоказательно никакими электромагнитными эффектами, когда дело идет об импульсах тока большой величины, действующих в металле. Выше неод­нократно обращалось внимание на принцип всеобщей связи явле­ний. Обращалось внимание (с учетом этого принципа) на необхо­димость подвергать сомнениям целый ряд электрических и физи­ческих констант, которые добывались когда-то посредством «печ­ных» экспериментов и посредством измерений при 'малых силах тока. К сожалению, систематизированных измерений, например, удельных сопротивлений металла под действием большой силы магнитных полей в литературных источниках нет.

224

После того как технолог расчетным или экспериментальным пу­тем либо сопоставлением этих методов определил основные техно­логические режимные показатели для своей конструкции, он дол­жен выбрать готовую машину или заказать специализированную. Как было видно из изложенных выше расчетных методов, техно­лог располагает следующими данными:

1) пределами напряжений холостого хода машины;

2) силой сварочных или вообще вторичных токов;

3) пределами сил сжатия.

Если речь идет о точечной сварке изделий и конструкций из обычных конструкционных сталей, то в большинстве случаев тех­нолог может ориентироваться на выбор нормальных точечных машин переменного тока, основные технологические характери­стики которых приведены ниже-

Марка машины. . . МТ 1423 МТ 1818 МТ 2102 МТ 2827 МТ4019 МТ 4218 Длительный вторич- иый ток, кА. . . Номинальная сила сжатия электро- 5,5 9 9 14 10 18 дов, даН.... Вылет электродов, 1568 617 1960 1225 1568 2450 ММ. о е. . . . .500 500 1200 500 500 500

Универсальные шовные машины имеют следующие харак- теристики: Марка машины.................... МШ-2001-1 МШ-3201 Длительный вторичный ток, кА. . 14 22 Номинальная сила сжатия, даН 784 1225 Номинальный вылет роликов, мм 800 800 Скорость сварки, м/мин 0,4—4,8 0,4—6,8 Универсальные рельефные машины переменного тока имеют следующие характеристики: Марка машины............................. МР-3818 МР-6918 МР-6303 Длительный вторичный ток, кА 11,2 18 28 Номинальная сила сжатия, даН 1568 2450 3136 Номинальный вылет до центра плиты, мм... 300 300 300

Приведенные здесь характеристики универсальных машин пере­менного тока недостаточны для современной технологии контакт­ной сварки изделий и конструкций из легированных сталей, алюминиевых сплавов и титана. Для этих металлов очень замет­ное развитие теперь получают машины конденсаторные и постоян­ного тока с выпрямлением во вторичном контуре. Для машин этого типа характерны не внешние характеристики, как это при­вычно для машин переменного тока, а нагрузочные характеристики. Сварочные токи в выпрямленных контурах определяются электри­ческим активным сопротивлением, которое вводится в контур сварочной машины.

Управление электрической и механической энергией машин постоянного тока стало очень сложным и, самое главное, таким,

какое позволяет применять широкие диапазоны изменения про­грамм действующих токов и прикладываемых давлений.

Основные технологические свойства машин конденсаторных и постоянного тока следует рассмотреть несколько подробнее.

Машины конденсаторные. Для марки машины МТК.-5001 напряжение заряда 150—380 В. Емкость батареи 35—105 мФ. Вторичное напряжение при коэффициенте трансформации п = = 148 U20 = 5,13 В; при п = 74 Uw = 10,26 В. Длительный вто­ричный ток 8 кА. Машина обеспечивает постоянное давление, про­ковочное и седлообразное (с предварительным обжатием). При­близительный диапазон свариваемых толщин: для легких сплавов и титана от 0,3+0,3 мм до 1,5+1,5 мм для коррозионно-стойкой стали до 1,2+1,2 мм.

Машина марки МТК-8004 обладает следующими характери­стиками. Пределы регулирования напряжения на батарее конден­саторов 150—380 В. Наибольшая емкость батареи конденсаторов 315 мФ. Длительный вторичный ток 14 кА. Диапазон свариваемых толщин — до 2,5 + 2,5 мм. Формы кривых сварочного тока /св показаны на рис. 6.5. Цифры на кривых относятся к емкостям: 1 — 35 мФ; 2 — 70 мФ; 3 — 122,5 мФ; 4 — 157 мФ; 5 — 245 мФ; 6 — 315 мФ. На рис. 6.5, а п = 42, на рис. 6.5, б п = 84. За­рядное напряжение в обоих случаях 380 В.

Машины постоянного тока. В качестве одной из типовых ма­шин средней мощности можно рассмотреть машину марки МТВР - 4001. Характеристики ее внешнего контура: при растворе 140 мм и вылете электродов 850 мм активное сопротивление короткого за­мыкания сварочного контура 90 мкОм; при растворе 390 мм и вы­лете 1200 мм — 97 мкОм. Уже из этих данных видно, насколько несущественно по сравнению с машинами переменного тока, ска­зываются размеры сварочного контура на одной из самых главных характеристик.

Машина имеет 16 ступеней регулирования и вторичное напря­жение холостого хода 1,88—5,4 В. Длительный вторичный ток машины 14 кА. Диапазон свариваемых толщин для алюминиевых сплавов до 2 мм, для коррозионно-стойких сталей и титана до

2,5 мм.

Нагрузочные характеристики на максимальной ступени пока­заны на рис. 6.6. Минимальная характеристика параллельна ей и начинается от 20 кА, падая до 7 кА. Для разных по размеру кон­туров характеристики почти не различаются.

Своеобразны характеристики машин типа МТВУ-4003. Она может обеспечивать сдвоенные импульсы тока разной амплитуды, как это было показано на рис. 4.6. Свариваемые толщины на этой машине: для алюминиевых сплавов до 1,5 мм, для жаропрочных и титановых сплавов до 3 мм, для конструкционных сталей до 5 мм.

Приведенные выше справочные данные по характеристикам контактных точечных машин показывают, что правильно выбрать, 226

Рис. 6.5. Разрядные сварочные токи
точечной конденсаторной машины
МТК-8004

Рис. 6.6. Нагрузочные характери­стики точечной машины постоянного тока МТВР-4001 /

например, точечную машину достаточно просто только для сварки обычных конструкционных сталей. Здесь применяется перемен­ный ток, в лучшем случае с модуляцией его амплитуды. Если же речь идет (сейчас, а тем более в ближайшем будущем) о сварке из­делий ответственной службы из сложных сплавов и сталей, то ответственный выбор готовых машин технолог должен согласовы­вать с заводами-изготовителями. Интересно отметить при этом, что согласование касается обычно граничных параметров. Но если технолог обоснованно задумал, а часто и проверил какой-то новый цикл и по форме сварочных токов, и по программе изме­нения прикладываемых давлений, то в этих случаях он предъяв­ляет требования к будущим сварочным качествам машины. Стоит отметить при этом, что современные проектировщики оборудования вполне способны решить любые поставленные перед ними задачи по созданию любых новых машин, с какими угодно электрическими и механическими свойствами.