Технология и оборудование контактной сварки

оплавлением, результаты сварки при возмущениях (например, при уменьшении гээ) за счет активного саморегулирования оказываются более устойчивыми, так как одновременно увеличиваются / св и Рд1. В то же время, при тех же границах действия возмущений, в об­ ласти А (характерна для сварки деталей с низким значением р — алюминиевые, магниевые сплавы) активность саморегулирования падает, соответственно снижается качество результатов сварки. Так, при точечной сварке легированных сталей на машине с круто­ падающей НХ при г2к = 70 мкОм при снижении гээ с 175 до 130 мкОм (примерно на 25 %) прирост тока за счет саморегулирования соста­ вляет 25 %, а Рээ увеличивается на 13 % (область В). При аналогич­ ном снижении гээ на 25 % (с 12 до 9 мкОм) при сварке сплава АМгб (область А) за счет больших потерь в г2к значение / св увеличивается всего на 5 %, а Рдд уменьшается на 17 %.

По мере дальнейшего снижения гээ активность саморегулирова­ ния продолжает падать, одновременно снижаются границы допусти­ мых возмущений.

При сварке сплавов с более высокими значениями р, например, сплавов на основе титана, процесс саморегулирования может пол­ ностью компенсировать снижение качества сварки в заданных пре­ делах возмущения. Отмечаются случаи точечной сварки, когда за счет саморегулирования с уменьшением гээ размеры сварной точки несколько возрастают. При сварке конкретных деталей можно по­

необходимо непрерывное увеличение / св (активное саморегулирова­ ние), что обеспечивается машинами с крутопадающей НХ. В про­ цессе стыковой сварки сопротивлением резко возрастает гээ. По­ этому для поддержания устойчивого нагрева зоны сварки стремятся сохранить постоянство сварочного тока, используя машины с полого­ падающей НХ.

В рассматриваемых условиях произвольного колебания гээ, там, где саморегулирование не может в полной степени обеспечить по­ стоянство качества сварки, применяют автоматическое дорегулирование. Последнее обеспечивается, например, аппаратурой автомати­ ческой стабилизации 1/ээ = гээ/ св. Эта аппаратура сохраняет и ээ = = const за счет повышения уровня регулирования действующего значения сварочного тока и соответственно постоянства плотности тока /, удельной мощности /2р и температуры в зоне сварки. Для выполнения этого условия (см. приведенный выше пример) за счет автоматического дорегулирования при сварке легированной стали ток дополнительно (свыше увеличения от саморегулирования) уве­ личивается на 10 %, Рээ на 23 %, а при сварке АМгб — более чем на 22 %, Р0Э на 52 %.

Использование аппаратуры с Ud3 = const эффективно только при сварке металлов с высоким значением р (см. гл. 9).

На качество сварки влияют не только отклонения сопротивления гээ, но также колебания напряжения сети и изменения сопротивле­ ний г2<и х2к машины (неравномерный нагрев токоведущих элементов, эрозия контактов, ввод в контур машины ферромагнитных масс — деталей, приспособлений). В большинстве машин контактной сварки аппаратура управления стабилизирует вторичное напряжение сва­ рочного трансформатора при колебаниях напряжения сети. Меньшие изменения сварочного тока при изменениях г2к и х2к имеют место при сварке на машинах с пологопадающей НХ, у которых относительно ве­ лико сопротивление Z2K. При больших колебаниях г2к, *2К используют автоматические стабилизаторы тока, например РТС1 (см. гл. 9).

В паспорте машины обычно приведены нагрузочные характе­ ристики для всех ступеней сварочного трансформатора, по которым можно определить пригодность машины и ступень регулирования вторичного напряжения трансформатора для сварки деталей данной толщины и марки материала. Так, например, по НХ (рис. 6.5, б)

трансформатора (1/II).

Внешняя характеристика машины. Для однофазных машин пере­ менного тока наряду с нагрузочными характеристиками используют и внешние характеристики — зависимости напряжения на электро­ дах от сварочного тока, т. е. U 2 = / (/св), Для различных ступеней

При этом внешняя характеристика представляет собой прямую линию:

U 2 = U 20 - г2к1св = 2,28 - 60- 10-г7 св.

На рис. 6.6, а представлены внешние характеристики / и 2 соот­ ветственно машин / и 2, а также проведена прямая линия гиг)/ сп = = £/ээ> представляющая собой падение напряжения на свариваемых деталях (/^ = 90 мкОм). Точка пересечения этой прямой с внеш­

ними характеристиками машин определяет сварочный ток (/св ^ ^ 15,2 кА) для данных деталей (проекция на ось абсцисс) и падение напряжения на электродах и зэ « 1,37 В (проекция на ось ординат). При сварке деталей с сопротивлением гээ = 90 мкОм на выбранных ступенях трансформаторов машин сварочный ток будет один и тот же (/св « 15,2 кА).

Наклон внешних характеристик зависит от сопротивления Z,iH или г2к. Машины с пологопадающей НХ имеют крутопадающую внешнюю характеристику, и наоборот (см. рис. 6.5, а и рис. 6.6, а).

По внешним характеристикам, как и по нагрузочным, выбирают необходимую ступень трансформатора для сварки конкретных дета­ лей. Так, к внешним характеристикам (рис. 6.6, б) машины МТ-1217 проведены две линии: линия 0Л, представляющая собой напряжение гээ/св для деталей минимальной (0,7 + 0,7 мм), и линия 0В — максимальной (1,5 + 1,5 мм) толщины. Проекции точек пересечения внешних характеристик с линией АВ определяют значения свароч­ ных токов для сварки деталей толщиной от 0,7 + 0,7 мм до 1,5 + + 1,5 мм. Зная значение сварочного тока, например, 12 кА, про­ водят вертикально линию до пересечения с линией АВ и получают точку С, определяющую необходимую ступень трансформатора (V), а ее проекция на ось ординат (точка D) определяет падение напря­

Технологические возможности машины — сварка за­ данных материалов и толщин — непосредственно связаны со схемой питания, которая должна обеспечивать необходимые значения и форму импульсов сварочного тока, а также его продолжительность.

По роду питания, преобразования или аккумулирования энер­ гии машины классифицируют на группы (см. рис. 6.1). Так как ма­ шины каждого типа — однофазные переменного тока, трехфазные низкочастотные, с выпрямлением тока во вторичном контуре и кон­ денсаторные — имеют свои особенности, рассмотрим электрические цепи, технико-экономические показатели и рациональные области применения машин каждого типа в отдельности.

Однофазные машины переменного тока. На рис. 6.7, а дана элек­ трическая схема машины. Сварочный трансформатор СТр включается в сеть контактором /(. Вторичное напряжение (У20 трансформатора устанавливают переключателем ступеней ПС. Значение и форма импульса сварочного тока зависят от типа контактора К (электро­ магнитный или вентильный) и настройки аппаратуры управления А У контактором.

При использовании электромагнитного контактора падением на­ пряжения AUa в контакторе пренебрегают, и U1H = U1T (где U1H— напряжение сети; UlT — напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора).

Рис. 6.7. Однофазная машина пере­ менного тока:

а — электрическая схема; 6 — временные диаграммы напряжения ujT и тока i'CB при

использовании электромагнитного контак­ тора; а — временные диаграммы напряже­

ний «1Н и u iT (а ) и тока iCB при использо­

вании вентильного контактора; г — форма импульса сварочного тока при модулиро­ вании

Мгновенные значения напряжения щти тока i\ ж i'QB (Гсв — при­ веденный сварочный ток) в установившемся режиме имеют синусо­ идальную форму (рис. 6.7, 6). Так как машина контактной сварки представляет собой для источника энергии активно-индуктивную нагрузку, ток i’ZB отстает от напряжения ulT по фазе на угол ср. Сила сварочного тока /С11 определяется по выражению (6.3).

Значение / св можно изменять ступенчато переключателем ПС путем включения витков^ первичной обмотки СТр: /св = w^U^/ZoWi, где w2 — число витков вторичной обмотки (обычно 1—2 витка). При наличии в АУ машины блока фазорегулирования ФР (см. гл. 8)

т. е. при определенном регулируемом смещении на угол а момента отпирания вентилей по отношению к фазе напряжения сети щп. При этом подводимое к трансформатору через контактор напряже­ ние щт(«) отличается от синусоидального сетевого напряжения uvl,

подводимого к трансформатору, а следовательно, и ЭДС, индукти­ руемая во вторичной обмотке, будут меньше, что вызовет также уменьшение сварочного тока /сма) (рис. 6.7, в).

Эти искажения форм напряжения U\tW и тока /св(сс) приводят к появлению высших гармоник напряжения и тока, в результате чего увеличивается индуктивное xQli сопротивление машины и снижается коэффициент мощности машины cos ср. Кроме этого, при использо­

Рис. 6.8. Характеристики однофазных машин переменного тока с различными cos <р:

а — регулировочная = / (а); б — коэффициента мощности /См = f (Kf)

вании вентильного контактора имеет место падение напряжения на

глубины регулирования тока и представляет собой регулируемый сварочный ток в относительных единицах. На рис. 6.8, а предста­ влены значения Kt в виде графиков, позволяющих оценить влияние изменения угла управления вентилей а во всем диапазоне изменения cos ф на уменьшение сварочного тока. Эти регулировочные кривые

даются. С увеличением угла а (коэффициента Кд коэффициент мощности Км резко снижается (рис. 6.8, б). Необходимый диапазон регулирования сварочного тока при углах а > ср + 60° рекомен­ дуется перекрывать ступенчатым регулированием напряжения U90 переключателем ПС (см. рис. 6.7, а). Изменяя угол а при протека­ нии сварочного тока, получают импульсы с плавным изменением амплитуды (см. рис. 6.7, г).

При проектировании машин и расчете сварочного трансформа­ тора необходимо выбрать расчетное напряжение £/1т, подводимое к зажимам первичной обмотки трансформатора и зависящее от типа контактора и включающих его устройств. В табл. 6.2 приведены напряжения U1T рекомендованные для практических расчетов при номинальном сетевом напряжении f/lH = 380 В. За первичное напря­ жение трансформатора принято напряжение, при* котором с учетом падения напряжения на вентилях А0 П контактора аппаратура упра­ вления обеспечивает их полнофазное включение. Так, при стабили­ зации сварочного тока (синхронное включение) при колебаниях напряжения сети аппаратуру настраивают при нижнем пределе

стабилизации сварочного тока при колебаниях напряжения сети

Приведенная на рис. 6.7, а электрическая схема получения сва­ рочного тока имеет наибольшее распространение и осуществлена в машинах точечной, рельефной, шовной и стыковой сварки. Преиму­ щества данной схемы: относительная простота преобразования энер-

гии сети и широкие возможности регули­ рования длительности и значения свароч­ ного тока, т. е. возможность регулирова­ ния длительности и характера нагрева и охлаждения зоны сварки, что позволяет сваривать детали из различных металлов

сшироким диапазоном толщин (сечений). Области применения однофазных машин

переменного тока в значительной мере ограничены их плохими энер­ гетическими показателями и однофазной нагрузкой цеховых трех­ фазных распределительных цепей. Так, например, необходимая мощ­ ность 5, потребляемая машиной из сети, при точечной сварке листов толщиной 4 - 5 мм из алюминиевых сплавов при вылете 1,5 м достигает 2 4 тыс. кВ-А, что недопустимо для цеховой однофазной на­ грузки. Обычно потребляемая из сети мощность точечных и шовных

Для снижения мощности 5 однофазных машин целесообразно уменьшить их полное сопротивление Z2K. Этого можно достичь снижением частоты напряжения, прикладываемого к вторичному контуру. Например, при снижении частоты вторичного напряжения до 10 Гц сопротивление Z2„ машины МТП-300 уменьшилось в 3,3 раза, индуктивное х2н в 4 раза и активное ггн в 1,7 раза (рис. 6.9). Мощ­ ность S, потребляемая из сети при заданном токе, уменьшается так же, как полное сопротивление Z?K. Следовательно, для снижения потребляемой мощности целесообразен переход на низкую частоту питающего вторичный контур напряжения.

Трехфазные низкочастотные машины. На рис. 6.10, а дана электрическая схема низкочастотной машины, а на рис. 6.10, б ее упрощенная схема замещения. В этой схеме к сварочному трансфор­ матору СТр подводится выпрямленное напряжение «d (рис. 6.10, в) от трехфазного выпрямителя ВС, собранного по мостовой схеме. Выпрямленное (среднее значение) напряжение

сторного и Д(/п = 35-Т-40 В для игнитронного выпрямителя); AUX — падение напряжения на индуктивном сопротивлении схемы, прояв­ ляющееся прН процессах коммутации токов в вентилях и зависящее от угла (X.

Рис. 6.10. Трехфазная низкочастотная машина:

а — электрическая схема; б — упрощенная схема замещения; в — временные диаграммы выпрямленного напряжения и^ и токов £1 и t’CB

Закон изменения первичного тока ix при приложении к первичной обмотке трансформатора выпрямленного напряжения Ud определяют из уравнения (см. рис. 6.10, б)

М (^ээ “Ь f 1к) L '2 d i\/d t = U dt

где Гээ и г1к — активное сопротивление свариваемых деталей и ма­ шины при коротком замыкании; Ц — индуктивность машины, при­

Согласно выражению (6.10) ток ix в цепи возрастает по экспо­ ненциальному закону (рис. 6.10, в). Максимальное значение первич­ ного тока / 1тах зависит от времени включения (/си) выпрямителя. Для этой схемы продолжительность включения выпрямителя огра­ ничивают из-за насыщения стали магнитопровода и резкого увеличе­ ния первичного тока.

Для размагничивания стали полярность напряжения Ud чере­ дуется коммутатором полярности КП (рис. 6.10, а), который сра­ батывает во время пауз между сварками. В мощных шовных маши­ нах, а также в точечной машине МТН-6301 полярность напряжения изменяется поочередным включением двух отдельных выпрями­ телей, включенных на выходе встречно-параллельно.

Максимальную продолжительность Сах включения выпрямителя с достаточной для практики точностью определяют по формуле

*тах = (Ф 0 + Фтах) Щ /Ud « 0,2 -7- 0,4С,

где Ф0 и Фтах — остаточный и максимальный потоки в магнитопроводе, определяемые размерами трансформатора и маркой стали.

трансформатора (уменьшением wt) допустимое максимальное время сварки tCB уменьшается. Практически токи ix и /св есть токи переход­ ного процесса, возникающие при включении и выключении выпрями­ теля, изменяющиеся по экспоненциальному закону и имеющие плавное нарастание и спад. Для предотвращения переходных про­ цессов между трансформатором и выпрямителем во время его вы­ ключения служит вентиль Вш (рис. 6.10, а), включенный таким образом, что он открывается после изменения полярности напряже­ ния Udl благодаря чему токи ix и iCB быстро спадают до нуля.

В некоторых случаях, например, в машине МТН-6301 и шовных машинах, для ускорения спада тока выпрямитель переводят в ин­ верторный режим, при котором напряжение Ud на первичной об­ мотке трансформатора изменяет свой знак, и энергия, накопленная в сварочной машине, частично возвращается в сеть. Быстрый спад тока iCB необходим для сварки деталей большой толщины, осуще­ ствляемой несколькими (два — шесть) импульсами тока низкой ча­ стоты (1—2 Гц). После окончания работы одного выпрямителя и регулируемого интервала tu (рис. 6.10, в) включается второй выпря­ митель, затем после спада тока включается первый и т. д. Период изменения тока Т = 0,3-т-1 с.

Сварочный ток регулируют изменением числа витков Wi и угла управления а вентилей выпрямителя. Сварочный ток при включении

Эта схема получения сварочного тока имеет ряд преимуществ, особенно важных при сварке легких сплавов: благоприятная техно­ логическая форма импульса сварочного тока — его плавное нараста­ ние и спад; равномерная загрузка трехфазной сети без пика в момент включения мощных машин (иногда до 1000 кВ-А). При относительно медленном нарастании тока, соответствующем частоте / = 1-т-2 Гц,

низкочастотные машины с большим контуром, необХоДИМЫМ Для сварки крупных узлов, имеют высокий cos ф и умереннУ10 п0ТРебляемую из сети мощность (по сравнению с однофазным3 ма^инами

переменного тока). К недостаткам этой схемы следует оТИонич°°ЛЬ

Трехфазные машины с выпрямлением тока во втори3**® ема T^ i ’

сварочного тока (практически постоянного тока). СЫзапепемецИп т