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

Подождите немного. Документ загружается.

101

4.1.4. Компоновка контактных сварочных машин

Любая контактная сварочная машина состоит из одних и тех же основных

блоков, взаимное расположение которых зависит от назначения и типа маши-

ны. Контактные машины для точечной, шовной и рельефной сварки стационар-

ного типа включают в себя (рис. 4.6 а):

- вторичный контур

- силовой привод

2 (осуществляет обжатие, сжатие и проковку сваривае-

мых деталей);

- аппаратура управления

- сварочный трансформатор

4 с механизмом переключения ступеней 5.

Контактные машины для шовной сварки включают в себя также привод

вращения роликов.

Контактные машины для стыковой сварки сопротивлением и оплавлени-

ем включают в себя также:

- привод зажатия деталей

- привод сжатия и осадки

а)

12 3 4

б)

1 67

Рис. 4.6. Компоновка стационарной контактной сварочной машины

В зависимости от назначения различают стационарные и подвесные кон-

тактные сварочные машины. В стационарных машинах все вышеперечисленные

элементы расположены в едином корпусе. Подвесную контактную сварочную

машину условно можно разделить на две части. Первая (перемещаемая) вклю-

чает в себя вторичный контур (частично или полностью – для

машин с подвес-

ным трансформатором), а также необходимые элементы силовых приводов

(сжатия, вращения роликов, зажатия и осадки). Вторая часть подвесной маши-

ны включает в себя все остальные, неперемещаемые элементы. Такое разделе-

ние позволяет производить сварку в труднодоступных для стационарных ма-

шин местах.

102

4.2. Вторичный контур контактной сварочной машины

Вторичный (сварочный) контур контактной сварочной машины является

её важнейшим элементом, конструкция которого определяет основные характе-

ристики контактной машины и её эксплуатационные свойства. Вторичный кон-

тур образуется элементами, соединяющими контактные плиты трансформатора

с электродами машины. Основное назначение вторичного контура – генериро-

вать сварочный ток, подводить к свариваемым деталям сварочный ток и сва-

рочное усилие. В машинах для шовной сварки ролики – элементы вторичного

контура – ещё и перемещают деталь.

4.2.1. Особенности проектирования вторичного контура

Вторичный контур характеризуется следующими геометрическими раз-

мерами (рис. 4.7): полезным вылетом

и раствором h

сварочных электродов,

габаритами L и H прямоугольника, описывающего вторичный контур.

Рис. 4.7. Геометрические характеристики вторичного контура

Полезный вылет

электродов в серийных машинах равен 200…500 мм, в

специализированных машинах – до 1200 мм, в машинах постоянного тока – до

1500 мм. Наибольший раствор

на стационарных точечных машинах должен

быть не менее 100 мм для

≤200 мм, 150 мм для 200<l

≤500 мм и 200 мм для

>500 мм.

103

Активное R

и индуктивное X

сопротивления вторичного контура вносят

основной вклад в активное

2к

и индуктивное X

2к

сопротивления всей свароч-

ной машины.

Активное сопротивление

вторичного контура складывается из актив-

ных сопротивлений

отдельных элементов, составляющих контур и сопротив-

лений

переходных контактов между этими элементами:

∑

кi

RRR

. (4.17)

Индуктивное сопротивление

зависит от формы, периметра и площади,

образуемой его элементами. Расчётное определение величины

при проекти-

ровании вторичных контуров заново разрабатываемых контактных сварочных

машин является весьма сложной задачей, которая реализуется при помощи

ЭВМ. Однако для предварительных расчётов можно воспользоваться упрощён-

ными формулами, например

3730

−

⋅

SX , Ом, (4.18)

где S – площадь, охватываемая контуром, см

(вычисляется через габариты

прямоугольника, описывающего вторичный контур, согласно рис. 4.7).

Для уменьшения потерь во вторичном контуре при проектировании но-

вых сварочных машин стремятся минимизировать значения величин

и Х

это достигается за счёт выполнения следующих требований, предъявляемых ко

вторичным контурам:

- минимальное количество составных элементов и их длина;

- минимальные габаритные размеры;

- минимальная площадь, охватываемая вторичным контуром.

Вследствие того, что индуктивное сопротивление вторичного контура

возрастает при внесении в него и нахождении рядом с ним массивных металли-

ческих частей, контур стараются

максимально вынести за пределы корпуса сва-

рочной машины.

В качестве примера на рис. 4.8 представлен вторичный контур контакт-

ной сварочной машины МТПУ-300, включающий в себя сварочные электроды

2, электрододержатели 3 и 10, гибкую шину 5, жёсткую шину 6, вторичный

виток сварочного трансформатора

7, колодку 8 и хобот 9.

Жёсткие шины служат для увеличения габаритных размеров контура, не

несут значительных силовых нагрузок и выполняются в основном из полосовой

меди.

Гибкие шины изготавливаются из медной фольги толщиной 0,2…0,3 мм.

Для снижения контактного сопротивления концы гибких шин, набранных из

фольги, соединяются диффузионной сваркой.

Хоботы сварочных машин предназначены для подвода тока через элек-

трододержатели и передачи электродам усилия, развиваемого приводом сжа-

тия. Хоботы изготавливаются, как правило, из меди или бронзы, их сечение оп-

ределяется токовыми нагрузками и механической прочностью. Максимальный

допускаемый прогиб хобота под действием номинального сварочного усилия

задаётся ГОСТ 297-80 в зависимости от номинального вылета

электродов,

группы сварочной машины и типа её привода сжатия (см. табл. 4.3).

104

Рис. 4.8. Эскиз вторичного контура точечной контактной машины: 1, 2 – элек-

троды; 3, 10 – свечи; 4 – прижимы; 5 – гибкая шина; 6 – пластина; 7 – вторич-

ный виток трансформатора; 8 – колодка нижняя; 9 – хобот; 11 – колодка верх-

няя; 12 – свариваемые детали

Таблица 4.3

Допускаемое смещение электродов точечных и шовных машин под дейст-

вием номинального усилия

Смещение для машин, мм

группы А группы Б

Номинальный

вылет, мм

прессового

типа

радиального

типа

точечных

прессового

типа

шовных

ТОссового

типа

≤500

1,0 1,5 2,0 2,5

500<l

≤1200

1,5 2,0 2,3 2,8

>1200 2,0 2,3 2,5 3,0

В соответствии с требованиями ГОСТ 297-80 при проектировании вто-

ричных контуров должна предусматриваться возможность изменения расстоя-

ния как минимум от одного из электрододержателей до передней стенки маши-

ны не менее чем на 10 % длины вылета при вылете до 1000 мм и 100 мм – при

вылете 1000 мм и более. Соблюдение этого требования обеспечивается обычно

путём

крепления хобота 1 круглого сечения в колодке 2 (рис. 4.9), при этом

раскручивание зажимных элементов

3 ослабляет крепление хобота в колодке,

что позволяет производить его свободное перемещение по длине и вращение

вокруг своей оси при установке соосности электродов.

105

Рис. 4.9. Регулирование вылета и соосности электродов изменением положения

хобота

Регулирование раствора электродов производится за счёт перемещения

по длине электрододержателя относительно хобота. Для этого на одном конце

хобота

1 предусматривают крепление съёмной колодки 2 (рис. 4.10 а) или вы-

полнение вилки (рис. 4.10 б). Раскрепление болтов приводит к ослаблению

фиксации электрододержателя

2 и возможности его линейного перемещения

относительно хобота.

а) б)

Рис. 4.10. Регулирование раствора электродов перемещением электрододержа-

теля:

1 – хобот, 2 – электрододержатель, 3 – съёмная колодка

106

Электродержатель является промежуточным элементом между хоботом и

электродом. Обычно он изготавливается из хромистой бронзы БрХ. Электродо-

держатель

2 (рис. 4.11) имеет коническое гнездо под электрод 1, внутри сделана

проточка для ввода медной или латунной трубки

3, через которую к электроду

подается холодная вода для охлаждения. Вода подводится и отводится через

штуцеры стальной колодки

4, ввёрнутой в противоположный конец электродо-

держателя.

Рис. 4.11. Строение типового электрододержателя:

1 – электрод, 2 –

электрододержатель,

3 – трубка водяного охлаждения, 4 – стальная колодка

крепления штуцеров

В процессе сварки на всех элементах вторичного контура и токоведущих

частях сварочного трансформатора выделяется значительное количество тепло-

ты, которое необходимо отводить для предотвращения их недопустимого пере-

грева. Как правило, элементы вторичного контура имеют водяное охлаждение

(за исключением гибких токоведущих шин), для чего в них устроены каналы

либо припаяны медные трубки.

Охлаждение сварочных электродов произво-

дится через электрододержатель с помощью медной трубки, помещённой в ка-

нал электрода. Свободный конец трубки имеет скос под углом 45

°, предотвра-

щающий возможность перекрытия отверстия в трубке, если она упрётся в дно

внутреннего канала электрода. Принято считать допустимым расстояние от

конца трубки до дна канала, равное 5…7 мм.

Сечение всех элементов вторичного контура рассчитывается из условий

ПВ и допустимой плотности тока по следующей формуле:

ПВ

100

, (4.19)

где

– сечение n-го элемента вторичного контура, мм

; I

2н

– номинальный

вторичный ток, А;

ПВ – номинальная продолжительность включения маши-

ны, %;

– допускаемая плотность тока на n-ом элементе, А/мм

(табл. 4.4).

107

Таблица 4.4

Допустимая плотность тока на элементах вторичного контура

Элемент вторично-

го контура

Материал или

марка сплава

Удельное со-

противление

при 20 °С,

Ом⋅мм

/м

Условия

охлаждения

Допускае-

мая плот-

ность то-

ка, А/мм

Электроды Бронза БрХ Интенсив 20-30

Бронза БрХ

0,021…0,035

12-22 Электрододержате-

ли

Бронза БрНБТ

Бронза БрНК

0,032…0,058

ное водяное

10-18

Медь М1 0,0175

Воздушное

Водяное

1,0 – 2,0

3 – 5

Хоботы, консоли,

плиты

Медь М3 0,030…0,050

Воздушное

Водяное

1,4 – 2

2 – 3

Шины жёсткие Медь М1 0,0175

Воздушное

Водяное

1,0 – 2,0

2,5 – 4

Шины гибкие Лента МГМ

(фольга)

0,0175 Воздушное 2,0 – 2,5

Неподвижные кон-

тактные поверхно-

сти

- - Воздушно –

водяное (од-

на поверх-

ность кон-

такта – во-

доохлаж-

даемая)

0,5 – 1,0

Медное литьё с за-

литыми трубками

охлаждения

Медь М3 0,030…0,050

Водяное 2,0 – 3,0

Скользящие контак-

ты шовных машин

- - Водяное 0,5 – 1,0

Активное сопротивление отдельного n-го элемента контура при 20 °С оп-

ределяется по формуле

пnn...

КR

, (4.20)

где

– удельное сопротивление материала, из которого выполнен элемент вто-

ричного контура, Ом

⋅мм

/м; l

– длина токового пути по данному элементу, м;

- сечение элемента, мм

; К

- коэффициент добавочных потерь за счёт по-

верхностного эффекта и влияния магнитного поля соседних элементов.

Коэффициент поверхностного эффекта обусловлен неравномерным рас-

пределением переменного тока в массивных элементах контура. Величина К

лежит в пределах 1…5 и ориентировочно может быть определена в зависимо-

сти от площади поперечного сечения элемента по диаграмме на рис. 4.12. Для

гибких шин, набранных из фольги с монолитными (сваренными или припаян-

ными) концами при двухстороннем токоподводе тока К

=1,1…1,3.

108

Рис. 4.12. Зависимость коэффициента поверхностного эффекта от площади

поперечного сечения элемента вторичного контура при частоте тока 50 Гц

4.2.2. Электродинамические эффекты во вторичном контуре

При контактной сварке в момент прохождения сварочного тока по вто-

ричному контуру в нём возникают силы отталкивания, носящие электродина-

мический характер. Этот эффект обуславливается отталкиванием двух токов I

направленных противоположно друг другу.

Рассмотрим упрощённый случай, когда сварочный контур составлен из

жёстких круглых токоведущих штанг (рис. 4.13).

В этом случае сила отталкивания верхней штанги от нижней будет вы-

числяться по формуле

102

−

⋅=

, (4.21)

где

l и b – в мм, I

– в А.

Эту формулу можно использовать и при более сложной форме контуров,

приняв за

l неподкреплённый вылет электрода и b - среднее расстояние между

верхними и нижними токоведущими частями (обычно хоботами).

Такие электродинамические рывки, возникающие во вторичном контуре,

приводят к уменьшению сварочного давления на величину силы отталкивания.

Например, при

l=1000 мм, b=400 мм, I

=120 кА имеем:

7200

400

1000120000

102

⋅

⋅⋅=

−

Как видно, при значительных сварочных токах, например при сварке

алюминиевых сплавов, необходимо учитывать электродинамическое противо-

109

давление, заметно снижающее назначаемое сварочное давление электродов. В

этом случае его необходимо увеличить на расчётную величину сил электроди-

намического отталкивания.

Электродинамические рывки при контактной сварке возникают не только

во вторичном контуре, но и в гибких токоведущих шлангах подвесных клещей.

При этом из формулы (4.18) для расчёта индуктивного сопротивления

вто-

ричного контура видно, что для уменьшения

необходимо, чтобы расстояние

между жильными токоподводами стремилось к нулю. Однако электродинами-

ческие рывки при этом возрастут многократно и будут приводить к значитель-

ному износу этих кабелей. Для борьбы с этим вредным явлением контактной

сварки кабеля стараются прочно скрепить друг с другом посредством хомутов

или перекручиванием.

4.2.3. Электроды и материалы для их изготовления

Электроды – сменный рабочий инструмент контактных машин, посред-

ством которого осуществляется контакт машины со свариваемыми деталями.

Электроды в процессе сварки выполняют следующие функции:

- сжимают детали;

- подводят к ним ток;

- отводят теплоту, выделяющуюся в деталях при сварке;

- перемещают детали при (шовной сварке).

К материалам электродов и роликов предъявляются

следующие требова-

ния:

- высокая теплопроводность;

- высокая электропроводность;

- высокая жаропрочность;

- высокая твёрдость;

- высокая температура рекристаллизации;

- малая склонность к массопереносу.

Основой практически всех электродных сплавов является медь, легиро-

ванная Cd, Cr, Ag, Co, Ni. Твёрдость и температуру рекристаллизации повы-

шают добавками Ti, Be, Zr, Al, B, Si. С увеличением содержания легирующих

элементов уменьшается электропроводность и теплопроводность меди

(

рис. 4.14, табл. 4.5). Поэтому суммарное количество легирующих элементов

обычно не превышает 2 %.

Для точечной и шовной сварки металлов с высокой электропроводностью

и малым сопротивлением деформации (алюминиевые, магниевые, медные

сплавы) применяют электродные сплавы с уменьшенным количеством леги-

рующих элементов (область I, рис. 4.14). Для материалов с низкой электропро-

водностью и высокой твёрдостью – с большим содержанием легирующих

эле-

ментов (область II, рис. 4.14).

При рельефной сварке используют электродные сплавы с наибольшей

твёрдостью, но с низкой электропроводностью (20…40 % от электропроводно-

110

сти меди). Количество легирующих элементов в этом случае может возрастать

до 4 % и более.

Набольшей теплопроводностью, но наименьшей твёрдостью и темпера-

турой рекристаллизации обладает холоднотянутая медь М1, сплавы БрКд1

(кадмиевая бронза), БрСр (серебряная бронза), их используют для сварки цвет-

ных сплавов. Для сварки сталей и титановых сплавов используют дисперсионно

твердеющие сплавы

Мц5Б, БрХКд, БрХЦр, МЦ2, МЦ4, БрНБТ.

Перспективными являются электроды из спечённых материалов на базе

меди с дисперсионным распределением оксидов: Al

, MgO, BeO (2…3 % по

объёму). По характеристикам электропроводности они близки к сплаву БрКд1,

но имеют более высокую жаропрочность.

Рис. 4.13. К расчёту электроди-

намических сил в контуре ма-

шины для точечной сварки

Рис. 4.14. Схема изменения физикомеха-

нических свойств меди при её легирова-

нии

Таблица 4.5

Применение медных сплавов при контактной точечной сварке

Наименование сплава Содержание

легирующих

элементов, %

Твёрдость,

Электропро-

водность, % к

отожжённой

меди

Основное назна-

чение электро-

дов и данного

сплава

Кадмиевая бронза БрКд

Серебряная бронза MC1

Хромокадмиевая бронза

БрХКд

0,9…1,2 Cd

0,07…0,12Ag

0,2…0,4 Cr

0,2…0,35 Сd

95…115

95…100

120…125

85…90

97…99

80…85

Сварка лёгких и

медных сплавов

Хромовая бронза БрХ

Хромоциркониевая брон-

за БрХЦр

0,4…0,7 Cr

0,5…0,7 Cr

0,03…0,06 Zr

130…150

140…160 80…85

Сварка низкоуг-

леродистых и

низколегирован-

ных сталей

Никель-бериллиевая

бронза БрНБ

Кобальт-кремниевая

бронза

1,4…1,6 Ni

0,2…0,4 Be

0,05…0,15 Ti

0,4…0,8 Cr

1,3…1,8 Co

0,3…0,6 Si

170…240 50…55

Сварка низкоуг-

леродистых и

высоколегиро-

ванных сталей,

жаропрочных

сплавов