Тема № 2 «Основные способы контактной сварки»

Цель работы: Ознакомление с устройством и принципом действия тиристорного и игнитронного выключателей. Исследование кривой тока нагрузки, коммутируемого тиристорным выключателем.

Порядок выполнения работы: Самостоятельно подготовиться по теоретическому материалу к занятию, при необходимости воспользоваться рекомендуемой литературой. На занятии получить допуск для выполнения работы. Для получения допуска необходимо ответить на вопросы о теоретической части работы, четко понимать ход выполнения работы, а также иметь представление о содержании отчета. Затем индивидуально или в группе (на усмотрение преподавателя) выполнить работу. К следующему занятию подготовить отчет в письменном или печатном виде. Работа считается сделанной, если при сдаче отчета студент может ответить на контрольные вопросы и дать комментарии о работе.

1. Теоретические положения

Контактная сварка – основной вид сварки давлением. Контактная сварка представляет собой процесс образования неразъемных соединений в результате нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

Преимущества контактной сварки перед другими способами:

– высокая производительность (время сварки одной точки или стыка составляет 0,02…1,0 с);

– высокое качество и надежность сварных соединений при небольшом числе управляемых параметров режима, что снижает требования к квалификации сварщика;

– малый расход вспомогательных материалов (воды, воздуха);

– это экологически чистый процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации.

2. Основные параметры режима

Основные параметры режима всех способов контактной сварки – это сила сварочного тока, длительность его импульса и усилие сжатия деталей. Теплота в свариваемом металле выделяется при прохождении через него импульса тока длительностью в соответствии с законом Джоуля-Ленца:

,

где за – принимают сопротивление столбика металла между электродами.

При расчете сварочного тока и времени – исходный параметр, так как его легко рассчитать, зная материал детали, ее толщину и требуемую температуру сварки. При этом сопротивлениями в контактах между деталями и между электродами пренебрегают.

Согласно закону Джоуля-Ленца увеличение должно увеличивать количество выделяющейся теплоты. Но по закону Ома:

,

где – напряжение на вторичном контуре сварочной машины, а Z – полное сопротивление вторичного контура, в которое входит .

Поэтому при увеличении уменьшится , а он входит в закон Джоуля-Ленца в квадрате. Следовательно, увеличение не всегда увеличивает количество выделяющейся при сварке теплоты, многое зависит от соотношения и полного сопротивления вторичного контура сварочной машины. Отсюда следуют несколько практических выводов.

С ростом общего сопротивления вторичного контура от 50 до 500 мкОм тепловыделение в зоне сварки уменьшается по мере падения примерно в 10 раз. Недостаток тепла компенсируется увеличением мощности или времени сварки.

Сварка на контактных машинах с малым сопротивлением вторичного контура (~ 50 мкОм) сопровождается интенсивным ростом нагрева по мере падения в процессе увеличения сварочного ядра.

При достижении равенства = Z нагрев достигает максимума, а затем, по мере еще большего снижения , уменьшается. Таким образом, сварка на контактных машинах с малым сопротивлением вторичного контура (а их большинство) сопровождается нестационарным нагревом и нестабильным качеством соединений. Уменьшить этот недостаток можно надежным сжатием зачищенных деталей, обеспечивающим поддержание и за счет разделения импульса сварочного тока на несколько коротких импульсов. Такая технологическая процедура обеспечит экономию электроэнергии и хорошее соединение деталей.

При сварке на машинах с большим сопротивлением вторичного контура (> 500 мкОм) снижение в процессе сварки практически не влияет на выделение теплоты, нагрев остается стационарным, что характерно для сварки на навесных машинах с длинным кабелем во вторичном контуре.

Сваренные соединения при этом обладают более хорошим качеством.

Основные способы контактной сварки

Существуют следующие способы контактной сварки: точечная, шовная (роликовая) и стыковая.

Точечная сварка – свариваемые детали 1 (рис. 3) собирают внахлест и зажимают усилием между двумя электродами 2, подводящими ток большой силы (до нескольких десятков кА) к месту сварки от источника электрической энергии 3 невысокого напряжения (обычно 3-8 В). Детали нагреваются кратковременным (0,01-0,5 с) импульсом тока до появления расплавленного металла в зоне контакта 4.

Нагрев сопровождается пластической деформацией металла и образованием уплотняющего пояска 5, предохраняющего жидкий металл от выплеска и от взаимодействия с воздухом. Теплота, используемая при сварке, зависит от сопротивления между электродами и выделяется при прохождении тока непосредственно в деталях, контактах между ними и контактах деталей с электродами.

Рис. 3. Схема точечной сварки

Сопротивления самих электродов должны быть незначительны, так как выделяющаяся в них теплота не участвует в процессе сварки.

Поэтому сечение электродов должно быть относительно большим, а материал электродов – обладать большой электро- и теплопроводностью. Электроды для точечной сварки изготовляют из меди и ее сплавов.

Точечная контактная сварка осуществляется током, продолжительность импульса которого может меняться от долей секунды до нескольких секунд. Поэтому включение должно производиться выключателем, управляемым программным регулятором времени. Применяются в основном игнитронные и тиристорные выключатели. Электромагнитные контакторы на большие токи не удовлетворяют требованиям надежности, частоте включения и точности дозирования энергии.

Схема игнитронного выключателя показана на рис. 4.

В схеме с игнитронным выключателем (рис. 4) питание от сварочного трансформатора ТС проходит через два игнитрона И1 и И2, включенных по встречно-параллельной схеме между собой и последовательно с первичной обмоткой сварочного трансформатора. Игнитроны имеют зажигательные электроды, контактирующие с ртутным катодом игнитрона. Выключатель включается контактами К1 реле при условии, что замкнут контакт гидрореле К, контролирующий наличие охлаждения игнитронов.

Рис. 4. Схема игнитронного выключателя

Работа тиристорного выключателя аналогична работе игнитронного выключателя.

Тиристорный выключатель (рис. 5) содержит два тиристора VS1 и VS2, которые встречно-параллельны друг другу. Когда контакт реле К1 разомкнут, тиристоры закрыты и сварочный трансформатор обесточен.

Рис. 5. Схема тиристорного выключателя

При замкнутом контакте К1 каждый из тиристоров проводит ток только в течение положительного полупериода напряжения на его аноде. Если положителен верхний (по схеме) провод источника питания, то ток пройдет через тиристор VS1, поскольку на его анод и управляющий электрод подается положительное напряжение (напряжение на управляющий электрод поступает через первичную обмотку сварочного трансформатора, диод VD2, резисторы R1 и R2 и контакт реле K1).

В следующий полупериод становится положительным нижний провод источника и начинает проводить ток тиристор VS2, на который управляющее напряжение поступает через диод VD3, замкнутый контакт реле К1 и резисторы R1 и R2. Поочередное выключение тиристоров происходит автоматически в конце каждого положительного полупериода анодного напряжения.

Резистор R2 предназначен для регулировки угла отпирания тиристоров, и соответственно для регулировки сварочного тока. Таким образом, в цепи сварочного трансформатора проходит переменный ток синусоидальной формы, а напряжение на нагрузке в течение каждого полупериода равно напряжению сети, за вычетом падения напряжения на открытом тиристоре.

При размыкании контакта К1 тиристоры выключаются и трансформатор ТС обесточивается.

Тиристорный выключатель (рис. 5) имеет ряд преимуществ по сравнению с игнитронным выключателем:

– малое падение напряжения в проводящем состоянии;

– высокая скорость переключения;

– простота управления;

– небольшие габариты при значительной пропускаемой мощности.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (стенд) имеет сварочную камеру с размещенным внутри механизмом прижима электродов, лицевую панель управления стендом и компьютер. Внизу стенда расположен сварочный трансформатор. Имеющиеся органы управления позволяют управлять параметрами реле времени, тиристорным выключателемм и наблюдать за изменением тока и напряжения во вторичной цепи.

Основные технические характеристики стенда

Номинальное напряжение 220 В

Род тока: переменный 50 Гц

Потребляемая мощность в режиме варки 7,5 кВт

Максимальный сварочный ток 1000 А

Регулировка тока плавная

Вторичное напряжение 2 В

Время сварки 0,5-4 с.

Основные функции стенда:

– наблюдение явления контактной точечной сварки;

– измерение напряжения и тока во вторичных цепях;

– плавное измерение параметров процесса сварки;

– возможность исследования процесса сварки;

– построение вольт-амперных характеристик по показаниям измерительных приборов.

Основные узлы управления стендом

На передней панели стенда находятся:

1. Автомат включения стенда и защиты от короткого замыкания.

2. Световая индексация указывает на наличие напряжения на стенде:

– красный индикатор указывает на наличие напряжения от электрощитовой;

– зеленый индикатор указывает на подачу питания к схеме стенда.

3. Измерительные приборы предназначены для измерения тока и напряжения во вторичной обмотке и получения данных для исследования сварочных процессов.

4. Регулятор сварочного тока и времени сварки, а также кнопка запуска процесса сварки.

5. Сварочная камера с расположенными внутри электродами и защитным экраном, защищающим от возможных искр.

Меры безопасности при работе на стенде

Лабораторный стенд относится к электроустановкам до 1000 В. Во избежание прикосновения к токоведущим частям все элементы схемы и монтажа выполнены внутри стола и доступ к ним закрыт. При выполнении сварочных работ возможны опасности для здоровья: поражение электрическим током, поражение глаз и открытых поверхностей кожи, ожоги и т.д.

Защита от поражения электрическим током

Для защиты сварщика от поражения электрическим током необходимо:

– надежно заземлить корпус источника питания дуги и свариваемое изделие;

– не использовать контур заземления для обратного провода;

– хорошо изолировать рукоятку электродержателя;

– работать в сухой и прочной спецодежде и рукавицах.

Защита от ожогов

Для защиты от ожогов необходимо закрыть форточку сварочной камеры во время сварки.

Форточку камеры можно открыть только после окончания сварки и снятия напряжения.

Свариваемую деталь не брать в руки до полного остывания. При необходимости одеть рукавицы.

Порядок выполнения лабораторной работы

Ознакомиться с принципом работы тиристорного выключателя.

Ознакомиться с методическими указаниями по данной лабораторной работе и техникой безопасности по ее выполнению.

Убедиться в целостности заземления визуально за стендом.

1. Убедиться в наличии угольных (графитовых) электродов, открыв дверцу сварочной камеры.

2. Установить две металлические пластины между 2-мя электродами.

3. Свести электроды прижимным устройством.

4. Закрыть сварочную камеру.

5. Включить стенд в сеть.

6. По красному индикатору «Сеть» убедиться, что напряжение подано от щита до стенда.

7. Автоматом включения подать питание на стенд.

8. По зеленому индикатору «Питание» убедиться, что напряжение подано.

9. Переключить выключатель в положение 2-й стенд.

10. По заданным длительности цикла сварки и коэффициенту включения сварочной машины (задаются преподавателем) рассчитывается и затем устанавливается продолжительность сварки и технологической паузы.

11. Включить установленный в стенде компьютер.

12. Запустить программу «Осциллограф», ознакомиться с ней через меню «Help».

13. Включить программу «Контактная сварка».

14. С экрана монитора срисовать форму кривой тока нагрузки при разных токах управления тиристорами.

15. Произвести сваривание двух пластин с помощью контактной сварки.

16. В программе «Контактная сварка» познакомиться с другими видами сварки (шовная, роликовая и т.д.)

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

а) наименование и цель работы;

б) схемы игнитронного и тиристорного выключателей;

в) графики тока и напряжения при разных токах управления;

г) выводы.

Контрольные вопросы

1. Почему электромагнитные контакторы непригодны для коммутации цепей мощных контактных сварочных машин?

2. Объяснить принцип действия игнитронного выключателя.

3. Какие преимущества имеет тиристорный контактор по сравнению с игнитронным?

4. В каких пределах регулируется угол зажигания тиристоров?

5. Объяснить принцип действия тиристорного выключателя.