Машины для конденсаторной сварки — это машины с аккумулированием (накоплением) энергии. В этих машинах происходит медленное аккумулирование энергии с потреблением небольшой мощности из сети и кратковременное использование ее во время сварки.

Аккумулировать энергию, достаточную для получения необходимых сварочных токов, можно в конденсаторах, магнитопроводах трансформаторов, во вращающихся массах, электрохимических аккумуляторах и специальных униполярных электрических генераторах. В настоящее время нашла промышленное применение лишь схема с накоплением энергии в конденсаторах. Электрическая схема конденсаторной машины состоит из двух частей: зарядной, обеспечивающей зарядку конденсаторной батареи до заданного уровня напряжения зарядки, и разрядной, обеспечивающей разрядку конденсаторной батареи на свариваемое изделие с заданным сварочным током.

Одна из распространенных электрических схем конденсаторных машин приведена на рис. 5.15, а. В этой схеме батарея конденсаторов емкостью С заряжается от сети переменного тока через управляемый выпрямитель ВС (однофазный или трехфазный в зависимости от необходимой мощности) и зарядное сопротивление r _з. При переключении переключателя П зарядка конденсаторов прекращается, и они разряжаются через первичную обмотку сварочного трансформатора СТр. Для предотвращения намагничивания сварочного трансформатора при сварке однополярными импульсами тока в схеме предусмотрен коммутатор полярности КП.

Сварка изделия осуществляется благодаря разряду конденсаторной батареи. Импульс разрядного тока и, следовательно, импульс сварочного тока определяются параметрами машины, рабочим напряжением U _{1 C} и емкостью С батареи конденсаторов, а также коэффициентом трансформации К_с трансформатора СТр. Упрощенная схема замещения разрядной цепи конденсаторной машины приведена на рис. 5.15, б.

В большинстве конденсаторных машин  поэтому разряд носит колебательный характер.

Для сварки используется лишь первый полупериод колебательного разряда с временем, в течение которого концентрированно отдается основная часть аккумулированной энергии. При этом в начале разрядки энергия W _С конденсаторов тратится на тепловыделение и аккумулирование энергии в магнитном поле сварочной машины. К моменту, когда ток станет максимальным (точка 1, рис. 5.15, в), конденсаторы разряжаются настолько, что не могут поддерживать ток i _св во вторичном контуре, и в дальнейшем он уменьшается. Когда напряжение и_2с становится равным нулю, ток i _св поддерживается только за счет расходования магнитной энергии (участок 2 – 3,), причем часть этой энергии идет на перезарядку конденсаторов. Когда ток снизится до нуля (точка 3), напряжение на конденсаторах достигнет вторичного максимума. Далее процесс повторится с той же частотой, но с меньшей амплитудой до полного затухания.

Для получения апериодического заряда ( ), более эффективного для сварки, в схему вводят шунтирующий вентиль В_ш (рис. 5.15, а), который открывается при изменении знака напряжения и_2С, и переходный процесс имеет апериодический характер (штриховая линия 2 – 4; рис. 5.15, в). Ток i _св поддерживается в цепи аккумулированной магнитной энергией, которая преобразуется в тепловую во вторичном контуре и магнитопроводе трансформатора. Обратное напряжение на конденсаторах незначительно и равно падению напряжения ΔU на вентиле В_ш.

Значение сварочного тока и форма его импульса зависят от соотношения параметров r ₂ и L ₂ машины, от емкости С батареи конденсаторов, зарядного напряжения на ней U _{1 C}, коэффициента трансформации К_С.

Графики токов короткого замыкания машины, характеризующие влияние изменения параметров С, U _{1 C} и К_С на форму импульса сварочного тока, приведены на рис. 5.15, г. При увеличении зарядного напряжения U _{1 C} в основном увеличивается I _{2 kmax} (пропорционально U _{1 C}), незначительно возрастает общая длительность Т t _св импульса, и практически не изменяется длительность нарастания тока t_max. При снижении коэффициента К_С увеличивается I _{2 kmax}, и снижаются t_max и Т. Изменение длительностей t_max и Т происходит примерно пропорционально изменению коэффициента К_С. При увеличении емкости С увеличиваются максимальное значение тока, его длительности t_max и Т.

В отдельных случаях для повышения энергетических показателей машин применяют более сложные схемы зарядно-разрядных цепей: с накопительной емкостью; с использованием сварочного трансформатора с выводом средней точки первичной обмотки и др. Форма импульса тока в процессе сварки, как правило, не регулируется. Относительно крутой фронт нарастания импульса сварочного тока (t_max = 0,004…0,05 с) иногда вызывает выплески металла. Во избежание выплесков применяют повышенные усилия сжатия деталей, а также проводят более тщательную подготовку поверхностей деталей под сварку. При сварке ответственных деталей в конденсаторных машинах предусматривают возможность получения требуемых по технологическим соображениям форм импульсов сварочного тока. Для этой цели в разрядную цепь включают реактивную катушку со стальным магнитопроводом, имеющим небольшой зазор. Вначале, пока магнитопровод катушки не насыщен, скорость нарастания тока невелика. После насыщения магнитопровода влияние реактивной катушки на процесс разряда становится небольшим.

Емкость батареи и коэффициент трансформации — величины постоянные при данной настройке машины; напряжение батареи стабилизируется аппаратурой управления с высокой точностью. Поэтому импульсы сварочного тока отличаются высокой стабильностью, что при прочих равных условиях обусловливает стабильную повторяемость показателей качества свариваемых изделий.

Конденсаторные машины весьма широко используют для точечной и шовной сварки деталей малых толщин, для герметизации контактной сваркой корпусов интегральных микросхем, полупроводниковых приборов и др., а также для сварки деталей из легких сплавов. Для сварки очень тонких деталей применяют машины, в которых разряд конденсаторов осуществляется непосредственно на свариваемые детали без сварочного трансформатора (бестрансформаторная конденсаторная сварка сопротивлением) или сближающиеся детали (ударно-конденсаторная сварка встык и впритык проводов с диаметром до 2 мм).

5.6. Назначение и схемы основных элементов электрической
части машин

Сварочные трансформаторы

Сварочный трансформатор встраивают в машину как элемент ее конструкции. Первичную обмотку трансформатора включают к источнику энергии, а к колодкам вторичного витка крепятся элементы вторичного контура, электрическое сопротивление которого обычно значительно больше полного сопротивления короткого замыкания трансформатора. Поэтому многие энергетические параметры всей машины определяются не столько параметрами трансформатора, сколько размерами вторичного контура и конструкцией включающих трансформатор в сеть устройств (контакторов, выпрямителей). Несмотря на это, непрерывно совершенствуют методы расчета и технологию изготовления сварочных трансформаторов, чтобы они имели высокие энергетические и экономические показатели.

Отличительная особенность сварочного трансформатора для машин контактной сварки — наличие одного (реже двух) вторичного витка, что достаточно для получения вторичной ЭДС Е₂ = 1…12 В (до 25 В при двух витках), обеспечивающей необходимые сварочные токи (обычно 2…80 кА, иногда до 300 кА) при относительно небольшом сопротивлении машины Х_{2 k} (от десятков до сотен микроом).

Сварочный трансформатор состоит из трех основных узлов: магнитопровода, первичной и вторичной обмоток. Применяют магнитопроводы трех типов: стержневые, броневые и кольцевые. Магнитопровод стержневого типа прост в изготовлении, однако из-за больших потоков рассеяния и трудностей механического крепления обмоток они выходят из употребления. Наибольшее распространение получили броневые магнитопроводы, обеспечивающие некоторую экономию стали, уменьшение потоков рассеяния и, главное, обеспечивающие более надежное закрепление обмоток относительно магнитопровода.

Первичные обмотки выполняют двух типов: цилиндрические и дисковые. Цилиндрическую обмотку, состоящую из одной или двух катушек, расположенных на стержнях магнитопровода, применяют обычно в трансформаторах стержневого типа малых мощностей (до 25 кВА включительно) с небольшим числом ступеней, а следовательно, выводов. Катушку наматывают из изолированного обмоточного провода, имеющего круглое или прямоугольное сечение, в несколько рядов по высоте и несколько слоев по ширине.

Дисковая обмотка разделана на несколько (4… 16) последовательно или последовательно-параллельно соединенных дисковых катушек, чередующихся с элементами вторичного витка, чем достигается их малое расстояние между собой и магнитопроводом. Это уменьшает потоки рассеяния трансформатора. Улучшается охлаждение первичной обмотки за счет теплоотвода в диски вторичного витка, обычно охлаждаемых водой. Наконец, при дисковой обмотке облегчается ремонт, так как при повреждении отдельной катушки ее заменяют без общей перемотки трансформатора.

Выбор конструкции вторичного витка определяется типом магнитопровода и первичной обмотки, а также условиями охлаждения (воздушное или водяное). При цилиндрической первичной обмотке вторичный виток делают гибким, набранным из фольги толщиной 0,2… 0,4 мм; концы его часто соединяют непосредственно с подвижными элементами вторичного контура машины. По ряду причин, изложенных выше, применение цилиндрических обмоток в трансформаторах машин контактной сварки ограничено.

В современных трансформаторах с дисковой первичной обмоткой вторичный виток изготовляют из двух и более плоских дисковых элементов, соединенных параллельно. Эти элементы штампуют из листовой меди. По периметру к ним припаивают трубки водяного охлаждения, а по концам — колодки для крепления шин вторичного контура.

В магнитопроводе и обмотках включенного трансформатора возникают большие электромеханические силы. Поэтом магнитопровод стягивают болтами при помощи жестких рамок, а обмотки надежно расклинивают текстолитовыми пластинами и сжимают стяжными шпильками, изолированными бакелитовой бумагой. В собранном трансформаторе первичные катушки изолируют от вторичных дисков прокладками гетинакса или слюдинита, а от магнитопровода — электрокартоном, слюдой или ее заменителями. В последних конструкциях трансформаторов готовый блок обмоток заливают эпоксидным компаундом.

Контакторы

Устанавливаемый в первичной обмотке сварочного трансформатора контактор служит для включения и выключения первичного тока трансформатора. В зависимости от назначения машины и требуемой надежности получаемых сварных соединений применяют электромагнитные или вентильные (преимущественно тиристорные) контакторы.

Электромагнитный контактор (рис.3.18, а) представляет собой электромагнит, к которому притягивается якорь с укрепленными на нем подвижными контактами 1 в момент подачи тока в катушку 2 от блока управления током БУТ. При этом замыкается электрическая цепь машины и подается напряжение к первичной обмотке трансформатора СТр. При отключении катушки 2 якорь с подвижными контактами 1 быстро возвращается в исходное положение пружинами.

Электромагнитные контакторы на большую разрывную мощность имеют значительные размеры, малый срок службы из-за образования дуги при выключении и низкое число включений в минуту (5…8). Кроме того, обладая большим и недостаточно стабильным временем отпускания, они не способны пропускать строго дозированные порции энергии, что приводит к нестабильности качества соединений, особенно при сварке на жестких режимах. Поэтому в настоящее время электромагнитные контакторы обычно используют в машинах стыковой сварки, трубных станах и шовных машинах малой мощности.

При использовании электромагнитного контактора включение сварочного трансформатора в сеть происходит в любой момент времени по отношению к фазе питающего напряжения, т. е. асинхронно.

В подавляющем большинстве современных машин контактной сварки подключение сварочного трансформатора к электрической сети производится синхронно, т. е. в определенный момент по отношению к фазе питающего напряжения, с помощью тиристорных контакторов. Только в машинах большой мощности (коммутируемые токи более 1500 А) применяют игнитронные контакторы; при этом в цепях поджигания игнитронов устанавливают тиристоры без принудительного охлаждения.

Игнитронный контактор основан на игнитронах, представляющих собой трехэлектродный управляемый ионный прибор с ртутным катодом. Игнитроны малочувствительны к перегрузкам, однако длительность их работы обычно ограничивается стойкостью поджигателя (третий электрод, включающий вентиль) и составляет 1000 часов и более. Игнитронные контакторы имеют большие габариты и устанавливаются только в вертикальном положении, для них характерно ненадежное поджигание и низкий КПД.

Основа тиристорного контактора — тиристор — характеризуется долговечностью (до 12000 ч), малыми размерами, высоким КПД (падение напряжения на тиристоре 3…4 В) и высокой надежностью в эксплуатации, его можно устанавливать в различных пространственных положениях. Тиристор чувствителен к перенапряжению и требует применения соответствующей защиты.

Тиристорный контактор (рис. 5.17) состоит из двух тиристоров Т1 и Т2, включенных встречно-параллельно. Анод каждого вентиля соединен с катодом другого вентиля, и вся эта группа включена последовательно с первичной обмоткой трансформатора СТр. Если полярность полуволны переменного напряжения такова, что напряжение линии А положительно относительно линии В, то проводить ток будет (при наличии управляющего сигнала) вентиль Т1. При обратной полярности проводящим окажется вентиль Т2.

Промышленность выпускает тиристорные контакторы (работающие при напряжении сети 220 и 380 В) типа КТ-1, КТ-03, КТ-04, КТ-07, КТ-1! и КТ-12, отличающиеся по величине номинального тока (при ПВ 20 % и времени непрерывной работы не более 0,5 с) соответственно 250, 850, 1400, 480, 1000 и 1750 А. Контакторы имеют водяное охлаждение, за исключением КТ-07, и контрольное устройство (биметаллическое термореле), ограничивающее повышение температуры выше 60 °С, а также варисторы для защиты от возможных перенапряжений. Примерный расход охлаждающей воды составляет около 2 л/мин. Напряжение импульса управления колеблется в пределах 15…30 В, а ток управления 0,4…2 А. Характер включения контакторов (асинхронное или синхронное) зависит от устройства системы управления БУТ.

Регуляторы цикла сварки

Регулятор цикла сварки предназначен для управления процессом сварки через функциональную аппаратуру машины: контактором, электропневмоклапанами, реле привода вращения роликов (непрерывное или шаговое вращение) или перемещения плиты и др. В зависимости от технологических требований (выбранных циклограмм работы машины) применяют однопрограммные и многопрограммные регуляторы времени. Число позиции регуляторов обычно 3… 8. Регуляторы работают с использованием аналогового или дискретно-цифрового принципа.

В однопрограммных регуляторах число позиций и порядок их выполнения (последовательность действия механизмов) всегда остаются без изменения. Регуляторы обеспечивают независимость регулировки длительности выдержек отдельных позиций.

В многопрограммных регуляторах можно (при соответствующей настройке) проводить сварочные циклы с различными вариантами изменения усилия на электродах или формы сварочного тока. Порядок следования интервалов и их число могут изменяться в зависимости от выбора программы. Отдельные позиции могут исключаться. Обычно в таком регуляторе имеется несколько параллельных ветвей управления, запускаемых от одной команды.

Принцип построения регуляторов зависит от циклограммы сварки. Любой регулятор состоит из п ячеек, соответствующих числу позиций, каждая из которых регулирует длительность одной операции и в конце ее вырабатывает сигнал на включение следующей операции. Высокая производительность машин контактной сварки требует передачи команд от ячейки к ячейке посредством бесконтактных элементов. Исполнительную — функциональную аппаратуру в большинстве машин контактной сварки также выполняют на бесконтактных элементах.