Климов А.С., Смирнов И.В. Основы технологии и построения оборудования для контактной сварки

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КОНТАКТНОЙ

СВАРКИ

4.1. Общие сведения

4.1.1. Классификация контактных машин

Контактная машина состоит из следующих составных частей:

1) силовой электрической части – служит для выработки и подвода к сваривае-

мым деталям сварочного тока;

2) привода сжатия соединяемых деталей и зажимных устройств – обеспечива-

ют приложение сварочных усилий;

3) аппаратуры

управления – задаёт требуемую последовательность работы ма-

шины по технологическому циклу, а также обеспечивающей взаимодействие

всех частей машины;

4) системы водяного охлаждения активных частей машины.

Согласно ГОСТ 297-80 контактные машины общего назначения класси-

фицируют по следующим признакам:

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

2) по конструктивному оформлению самой

машины: стационарные и подвес-

ные (последние со встроенным или отдельными трансформаторами);

3) по роду сварочного тока: переменного тока – промышленной, повышенной и

пониженной частоты, постоянного тока, конденсаторные;

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

5) по нормируемым техническим требованиям: группа А – повышенная ста-

бильность режима и группа Б – нормальная

стабильность режима.

Отклонение вторичного тока не должно отличаться не более чем на –

5…+10% – для машин группы А и ±10% – для машин группы Б; отклонение

длительности протекания сварочного тока от установленного значения для то-

чечных, шовных и рельефных машин не должно превышать ±2% – для машин

группы А и ±10% для машин группы

Б; на машинах с пневматическим приво-

дом должны устанавливаться манометры класса точности не ниже 1,5 – для

машин группы А и 2,5 – для машин группы Б.

ГОСТ 297-80 также регламентирует условные обозначения контактных

машин (рис. 4.1), которые позволяют извлечь полную информацию о типе и на-

значении машины. Обозначения состоят из одиннадцати символов-позиций:

1 – обозначение вида

изделия (машина контактная).

2 – обозначение машины по видам соединения, получаемого при сварке

(Т – точечная, Ш – шовная, Р – рельефная, С – стыковая).

3 – обозначение машины по конструктивному исполнению и (или) типу

источника сварочного тока (В – с выпрямлением тока во вторичном контуре, К

– конденсаторная, Н – низкочастотная, Р – радиальная, П – подвесная, С – сты-

ковая

сварка сопротивлением, О – стыковая сварка оплавлением). Если буквы

нет, то источник переменного тока промышленной частоты.

4 – для точечных, рельефных и шовных машин указывается наибольший

вторичный ток (в кА). Для стыковых машин отмечается максимальное усилие

осадки (в кН).

5 – номер модификации машины.

6 – вид климатического исполнения по ГОСТ 15150-69*.

7 – группу А или Б в зависимости от нормируемых технических требова-

ний.

8 – напряжение питающей сети.

9 – частота питающей сети.

10 – слово «

экспорт» (для экспортного варианта).

11 – обозначение технических условий на конкретную машину

Рис. 4.1. Структура условного обозначения машины для контактной сварки

общего назначения

Примеры обозначения и расшифровки:

МТП-803, А, 380 В, 50 Гц – машина точечная, подвесная, номинальный сва-

рочный ток 8кА, заводская модификация 03, группа А, напряжение питающей

сети 380 В, частота 50 Гц.

4.1.2. Требования безопасности, предъявляемые к контактным машинам

Оборудование для контактной сварки по технике безопасности должно

соответствовать требованиям ГОСТ 12.3.003-86, ГОСТ 12.2.049-80,

ГОСТ 12.2.007.8-75, «Правилам устройства электроустановок» (ПУЭ

), «Прави-

лам технической эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТЭ), «Пра-

вилам техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребите-

лей» (ПТБ).

ГОСТ 12.2.007.8-75 предъявляет следующие требования безопасности к

конструкции машин и входящих в комплект машин изделий:

1. Сварочный контур не должен иметь гальванической связи с цепями, при-

соединёнными к сети.

2. Двери шкафов и

машины, при открывании которых возможен доступ к её

частям, находящимся под напряжением свыше 42 В переменного тока и

110В постоянного тока, должны иметь блокировку, обеспечивающую ав-

томатическое отключение машины от сети при их открывании.

3. Провода, соединяющие педали управления с устройствами, должны быть

защищены от механических повреждений.

4. Контактные машины за

исключением подвесных должны иметь огражде-

ния, предохраняющие оператора от выплесков и искр, позволяющих вес-

ти свободное наблюдение за сваркой. Стыковые машины для сварки оп-

лавлением должны быть снабжены защитными кожухами и иметь мест-

ную вытяжную вентиляцию.

5. Вторичное напряжение сварочного трансформатора контактной машины

при холостом ходе не должно превышать 42 В.

6. Сварочный контур машины должен иметь электрическое соединение с

корпусом машины, а корпус должен быть

снабжён заземляющим болтом.

7. Для цепей управления допускается применять напряжение не более

220 В.

Таблица 4.1

Степени защиты оборудования от проникновения внутрь твёрдых тел по

ГОСТ 14254-80

Степень защиты Первая

цифра

Краткое описание Определение

0 Защита отсутствует Специальная защита отсутствует

1 Защита от твёрдых тел

размером более 50 мм

Защита от проникновения внутрь оболочки большо-

го участка поверхности человеческого тела, напри-

мер руки, и других предметов размером больше 50

мм

2 Защита от твёрдых тел

размером более 12 мм

Защита от проникновения внутрь оболочки пальцев

или предметов длиной не более 80 мм и твёрдых тел

размером свыше 12 мм

3 Защита от твёрдых тел

размером более 2,5 мм

Защита от проникновения внутрь оболочки инстру-

ментов, проволоки и других предметов диаметром

или толщиной более 2,5 мм

4 Защита от твёрдых тел

размером более 1 мм

Защита от проникновения внутрь оболочки прово-

локи и других предметов размером более 1 мм

5 Защита от пыли Проникновение внутрь оболочки не предотвращено

полностью. Однако пыль не может проникнуть в

количестве, достаточном для нарушения работы из-

делия

6 Пыленепроницаемость Проникновение пыли предотвращено полностью

Степень защиты от прикосновения к токоведущим и движущимся частям

должна соответствовать ГОСТ 14254-80. Для обозначения степени защиты

применяются буквы IP и следующие за ними две цифры. Первая обозначает

степень защиты персонала от прикосновения к находящимся под напряжением

частям и от соприкосновения с движущимися частями, находящимися внутри

оболочки, а также степень защиты от

попадания внутрь твёрдых тел (табл. 4.1).

Вторая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания внутрь него

воды (табл. 4.2). Для контактных машин общего назначения ГОСТ 297-80 уста-

навливается степень защиты IP00, кроме частей, находящихся под напряжени-

ем сети, в том числе расположенных в отдельном корпусе, для которых уста-

новлена степень защиты IP02.

ГОСТ 12.2.007.0-75 устанавливает пять классов электротехнических из-

делий по способу защиты человека от поражения электрическим током: 0; 01; I;

II; III.

К классу 0 должны относиться изделия, имеющие, по крайней мере, ра-

бочую изоляцию и не имеющие элементов для заземления. К классу 01 – изде-

лия, имеющие, по крайней мере, рабочую изоляцию, элемент для заземления и

провод без заземляющей

жилы для присоединения к источнику питания. К

классу I должны относиться изделия, имеющие рабочую изоляцию и элемент

для заземления. Если изделие класса I имеет провод для присоединения к ис-

точнику питания, этот провод должен иметь заземляющую жилу и вилку с за-

земляющим контактом. К классу II должны относиться изделия, имеющие

двойную или усиленную

изоляцию и не имеющие элементов для заземления. К

классу III – изделия, не имеющие ни внутренних, ни внешних электрических

цепей напряжением выше 42 В. ГОСТ 297-80 допускает изготавливать контакт-

ные машины общего назначения класса защиты 01, подвесные машины класса

защиты I и комбинированные с отдельным частями классов I и 01.

Таблица 4.2

Степень защиты сварочной машины от попадания внутрь

её воды

Степень защиты Вторая

цифра

Краткое описание Определение

0 Защита отсутствует Специальная защита отсутствует

1 Защита от капель воды Капли воды, вертикально падающие на оболочку,

не должны оказывать вредного воздействия на

машину

2 Защита от капель воды при

наклоне 15

Капли воды, вертикально падающие на оболочку,

не должны оказывать вредного воздействия на

машину при наклоне его на любой угол до 15

от-

носительно нормального положения

3 Защита от дождя Дождь, падающий на оболочку под углом 60

от

вертикали, не должен оказывать вредного воздей-

ствия на машину

4 Защита от брызг Вода, разбрызгиваемая на машину в любом на-

правлении, не должна оказывать на неё вредного

воздействия

5 Защита от водяных струй Струя воды, выбрасываемая в любом направлении

на оболочку машины, не должна оказывать на неё

вредного воздействия

6 Защита от волн воды Вода при волнении не должна проникать внутрь

машины в количестве, достаточном для её повре-

ждения

7 Защита при погружении в

воду

Вода не должна проникать в оболочку, погружён-

ную в воду, при определённых значениях давления

и времени в количестве, достаточном для повреж-

дения изделия

8 Защита при длительном

погружении в воду

Машина пригодна к работе при длительном по-

гружении в воду при условиях, установленных из-

готовителем

Требования к защитному заземлению контактной машины определяет

ГОСТ 12.2.007.0-75. Болт (винт, шпилька) для заземления должен быть выпол-

нен из металла, стойкого в отношении коррозии, или покрыт металлом, предо-

храняющим его от коррозии и не должен иметь поверхностной окраски. Не до-

пускается использовать для заземления болты, шпильки и винты, выполняющие

роль крепёжных изделий

. Размещение крепления заземления должно выпол-

няться в безопасном для заземляющего проводника месте. Вокруг болта должна

быть контактная площадка для присоединения заземляющего проводника, за-

щищённая от коррозии или изготовленная из антикоррозионного металла и не

имеющая поверхностной окраски. Выбор наименьшего диаметра болта следует

осуществлять по значению тока, потребляемого от источника.

В изделии

должно быть обеспечено электрическое соединение всех дос-

тупных для прикосновения металлических нетоковедущих частей, которые мо-

гут оказаться под напряжением, с элементами заземления. Значение сопротив-

ления между заземляющим болтом и каждой доступной для прикосновения ме-

таллической нетоковедущей частью машины должно быть не более 0,1 Ом.

Элементами для заземления должны быть оборудованы следующие металличе

ские нетоковедущие части машины, подлежащие заземлению: оболочки, корпу-

са, шкафы, каркасы, рамы, обоймы, стойки, шасси, основания, панели, плиты и

другие части изделий, могущие оказаться под напряжением при повреждении

изоляции.

4.1.3. Электрические параметры машин для контактной сварки

Работа контактной сварочной машины протекает в специфических усло-

виях, учёт которых производится при

выборе и задании её основных парамет-

ров. Общим для всех машин является их работа в повторно-кратковременном

режиме, при котором имеет место регулярное чередование времени работы t

св

(включения сварочного тока) и времени пауз t

(выключения сварочного тока)

(рис. 4.2). Отношение времени сварки t

св

к общему времени полного цикла

св

) обозначается ПВ и характеризует повторно-кратковременный режим:

ПВ

псв

св

100

= . (4.1)

Рис. 4.2. К определению продолжительности включения повторно-

кратковременного процесса контактной сварки

Выбранное или спроектированное оборудование для сварки заданного

узла должно обеспечивать выполнение поставленной технологической задачи

наиболее экономичным путём. Это достигается путём соблюдения совокупно-

сти определённых параметров контактной машины, которые составляют её ос-

новную характеристику.

Для машин общего назначения в соответствии с ГОСТ 297-80 устанавли-

ваются следующие основные параметры: наибольший вторичный ток

2к max

номинальный длительный вторичный ток

2д. ном

Наибольший вторичный ток I

2к max

– это ток, который проходит во вто-

ричном (сварочном) контуре в режиме короткого замыкания на максимальной

ступени сварочного трансформатора при номинальных значениях раствора и

вылета сварочного контура. В предыдущем ГОСТ 297-73 одним из основных

параметров был

номинальный вторичный ток I

2н

– ток, протекающий во вто-

ричном контуре в процессе сварки деталей при номинальной продолжительно-

сти включения. Использование этого параметра было удобно пользователям и

проектировщикам контактных машин, в том числе и для расчётов элементов

вторичного контура. Однако измерение и контроль величины

2н

крайне затруд-

нительны. При испытаниях машины необходимо было между электродами ус-

танавливать эталонные сопротивления, соответствующие по значению сопро-

тивлениям заданных свариваемых металлов определённых толщин. Однако, как

было показано в гл. 2, сопротивление

э-э

изменяется в течение всего сварочно-

го цикла в значительном диапазоне, что усложняет задание величины

2н

. Кро-

ме того, проблематично и создание эталонных сопротивлений, узаконенных

метрологическими службами. Всё это заставило перейти при классификации

сварочных машин от номинального сварочного тока к наибольшему вторично-

му току.

При этом изменилось название ряда машин, хотя сами они остались не-

изменными. Так, например, машины МТ-1222, МТ-1618 и МТ-3201 обознача-

ются сейчас

соответственно МТ-2202, МТ-1818 и МТ-4019.

Номинальный длительный вторичный ток I

2д. ном

– условный ток, не-

прерывное прохождение которого по вторичному контуру вызывает нагрев его

элементов до температуры, не превышающей допустимое значение. В соответ-

ствии с ГОСТ 297-80 элементы вторичного контура контактных машин пере-

менного тока не должны нагреваться более чем до 100

°С, а машин постоянного

тока и низкочатотных машин – не более чем до 70

°С.

Длительный вторичный ток – это условный ток, который при непрерыв-

ном прохождении по вторичному контуру нагревает его части до той же темпе-

ратуры, что и реальный ток в повторно-кратковременном режиме. Действую-

щий длительный вторичный ток I

2д

определяется соотношением

100

ПВ

, (4.2)

где

– действующий реальный вторичный ток, включение которого произво-

дится с заданным

ПВ.

При условии I

2д

2д. ном

элементы вторичного контура будут интенсивно

нагреваться до температур, превышающих допустимые, поэтому выбор макси-

мальной продолжительности включения

ПВ

max

процесса сварки должно произ-

водиться с учётом заданного вторичного тока

100

max

ном.д

ПВ

II >

. (4.3)

При выборе сварочного оборудования с учётом (4.3) обычно принимают

значения

ПВ для точечных машин равное 20 %, шовных 50 %, стыко-

вых 20…30 %.

В соответствии с ранее действующим ГОСТ 297-73 значения номиналь-

ных вторичного тока

2н

и длительного вторичного тока I

2д. ном

связывались че-

рез номинальное значение продолжительности включения

ПВ

100

нном.д

ПВ

II =

. (4.4)

Кроме основных параметров, контактная сварочная машина может харак-

теризоваться дополнительными электрическими параметрами, которые напря-

мую связаны с её активными (омическими) и реактивными (индуктивными) со-

противлениями. Полное (общее) сопротивление

2к

сварочной машины в режи-

ме короткого замыкания равно

212

)XX()RR(Z

+++=

, (4.5)

где

и X

– активное и индуктивное сопротивления сварочного контура ма-

шины, включая вторичную обмотку трансформатора, Ом;

’ и X

’ – активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки

сварочного трансформатора, приведённые ко вторичной цепи:

)

(RR

;

)

(XX

, (4.6)

где

w и

w - число витков в первичной и вторичной обмотках сварочного

трансформатора.

Формулу (4.5) удобно переписать в виде

ккк

ZRX=+

222

, (4.7)

где

2к

’ – активное сопротивление короткого замыкания машины, при-

ведённое к вторичному витку;

2к

’ – индуктивное сопротивление корот-

кого замыкания машины, приведённое к вторичному витку.

Наибольший вторичный ток

2к max

может быть определён в зависимости

от полного сопротивления

2к.

сварочной машины в режиме короткого замыка-

ния и максимального вторичного напряжения

20 max

сварочного трансформато-

ра:

max

maxк

= . (4.8)

При сварке деталей полное сопротивление Z

сварочного контура кон-

тактной машины включает в себя так же электрическое сопротивление между

электродами

э-э

. Поэтому формулу (4.7) необходимо переписать как

22 кээк

X)RR(Z ++=

−

. (4.9)

Тогда сварочный ток

определяется в зависимости от вторичного на-

пряжения

сварочного трансформатора как

I =

. (4.10)

С учётом формул (4.4)…(4.10) можно задать следующие дополнительные

электрические параметры, характеризующие контактную машину и процесс

сварки.

Наибольшая полная мощность при коротком замыкании N

к max

мощность, забираемая из сети в режиме короткого замыкания на максимальной

ступени сварочного трансформатора:

кmaxкmaxкmaxmaxк

ZIIUN

2220

⋅

. (4.11)

Номинальная полная мощность N

- мощность, забираемая из сети при

протекании через вторичный контур номинального тока

2н

на номинальной

ступени сварочного трансформатора

20н

2220

ZIIUN

нннн

⋅

. (4.12)

Величина

долгое время (до 1973 года) использовалась как основная

характеристика контактной машины, и использовалась для её маркировки (на-

пример МТП-75 – точечная машина с пневматическим приводом сжатия и но-

минальной полной мощностью 75 кВА, МШП-200 – шовная машина с пневма-

тическим приводом сжатия и номинальной полной мощностью 200 кВА).

Наибольшая активная мощность при коротком замыкании P

к max

–

активная мощность, потребляемая сварочной машиной из сети в режиме корот-

кого замыкания на максимальной ступени сварочного трансформатора:

22 maxккmaxк

IRP

⋅

. (4.13)

Коэффициент мощности в режиме короткого замыкания cos

- ве-

личина, характеризующая отношение активной мощности к полной мощности,

потребляемой контактной машиной из сети в режиме короткого замыкания:

maxк

cos =

. (4.14)

Величина

cos

может быть определена из треугольника сопротивлений

(рис. 4.3).

Коэффициент мощности сварки cos

- величина, характеризующая от-

ношение активной мощности к полной мощности, потребляемой контактной

машиной из сети в процессе сварки:

220

I)RR(

cos

ээк

⋅

⋅+

−

. (4.15)

Анализ (4.14) и (4.15) позволяет установить, что всегда

cos

> cos

Рис. 4.3. Треугольник сопротивлений схемы замещения контактной сварочной

машины

Преобразовав (4.10) с учётом (4.7), получим выражение для определения

падения напряжения на электродах

э-э

в зависимости от сварочного тока I

для

заданного вторичного напряжения

сварочного трансформатора:

202

IR)IX(U)I(U

ккээ

−−=

−

. (4.16)

Зависимость (4.16) для данной контактной машины выраженная графиче-

ски для различных ступеней трансформатора (рис. 4.4), является внешней

вольтамперной характеристикой контактной машины (ВАХ).

Пересечение ВАХ оси абсцисс в точке

2к

соответствует короткому замы-

канию (

э-э

=0, U

э-э

=0), а пересечение оси ординат в точке U

– холостому ходу

(

э-э

, I

=0 и R=

∞

Рис. 4.4. ВАХ контактной сварочной машины

Определение необходимой ступени трансформатора, обеспечивающей

требуемое вторичное напряжение

, при помощи ВАХ проводят следующим

образом. Задавшись значением вторичного тока

, проводят линию параллель-

но оси ординат, далее задавшись падением напряжения на свариваемых деталях

э-э

, проводят линию параллельно оси абсцисс. Пересечение построен-

ных линий даст точку, относительно которой выбирают ближайшую большую

ступень сварочного трансформатора.

100

Качество соединения, выполненного при помощи контактной сварки, оп-

ределяется в основном количеством тепла, выделенном между электродами за

сварочный цикл. Оценить количество выделяемого тепла можно по положению

рабочей точки на ВАХ сварочной машины (рис. 4.5). Здесь I и II – две различ-

ные ВАХ контактной машины. ВАХ I является крутопадающей, а ВАХ II - по-

логопадающей. Рабочая точка (В

или В

) определяется пересечением ВАХ ма-

шины с ВАХ промежутка электрод-электрод (прямая линия

э-э

, прохо-

дящая через начало координат под углом

э-э

). Площадь прямоугольника

пропорциональная мощности электрического тока, выделяемой на

сварочном участке электрод-электрод.

Если в результате каких-либо внешних воздействий (состояние рабочей

поверхности, износ сварочных электродов, колебание сварочного усилия и т.п.)

изменится сварочное сопротивление (прямая

ээ

−

на рис. 4.5), то рабочая точка

переместится в точку

. Однако мощность, выделяемая на сварочном проме-

жутке и пропорциональная площади прямоугольника

'''

CBOA

111

, изменится не-

значительно. Это свойство крутопадающей ВАХ используется в машинах то-

чечной, шовной и рельефной сварки, оно позволяет при изменении начальных

параметров сварки в некотором диапазоне стабилизировать качество получае-

мых соединений.

Рис. 4.5. Влияние формы кривой ВАХ на стабильность тепловыделения при

сварке

Машины для стыковой сварки, напротив, имеют пологую ВАХ (кри-

вая II). В случае уменьшения сопротивления сварочной цепи, которым сопро-

вождается образование перемычки, мощность, выделяемая на участке электрод-

электрод, резко возрастает, что ускоряет разрушение перемычки и выравнивает

процесс оплавления.