При контактной сварке разогрев металлических деталей до пластического состояния осуществляется теплом, выделяемым электрическим током на участке между электродами. Общее количество тепловой энергии, требуемой непосредственно для осуществления сварки, по закону Джоуля — Ленца определяется зависимостью :
W = I2ном^2*Rээ*tсв (1)
где I2ном — номинальный сварочный ток, А; Rээ—активное сопротивление свариваемых деталей на участке электрод — электрод, Ом; tсв — время протекания сварочного тока, с. Каждый сварочный цикл начинается с предварительного сжатия деталей для создания между ними механического контакта. После включения тока металл свариваемых деталей в зоне электрод — электрод нагревается и сопротивление Rээ растет. Через 0,02—0,03 с при разогреве деталей выше температуры разупрочнения (около 400 °С) площадь контакта возрастает и Rээ, достигнув максимального значения, начинает уменьшаться, а I2ном увеличивается. Минимальное значение Rээ и максимальное значение I2ном, имеющие место в конце процесса сварки, используются в качестве численных характеристик этих параметров при всех видах контактной сварки.
Из выражения (1) следует, что нагрев деталей тем больше, чем больше сварочный ток, активное сопротивление деталей и время сварки. Однако значение конечного сопротивления Rээ косвенно всегда задается, так как оно определяется физическими свойствами металлов свариваемых деталей определенной толщины, переходным сопротивлением между поверхностями и типом сварочного трансформатора. Числовая характеристика этого параметра в основном определяет задаваемое в технологических картах значение сварочного тока I2ном и время сварки tсв. С увеличением tсв количество выделяющейся тепловой энергии, а следовательно, размеры и прочность соединений возрастают, но не беспредельно.
По истечении некоторого определенного времени tсв качество сварного соединения резко ухудшается за счет выплесков, возросших бесполезных тепловых потерь. Точно такое же влияние на качество сварного соединения оказывает и увеличение сварочного тока I2ном. Поэтому получение на одних и тех же деталях сварных соединений одинакового размера и качества возможно только при определенных соотношениях этих параметров. Уменьшение в известных пределах I2ном может быть скомпенсировано соответствующим увеличением tсв и наоборот. Режимы, характеризующиеся относительно большим I2ном и малым tсв, принято называть жесткими, а режимы с малым I2ном и большим tсв— мягкими. Однако в режимах разной жесткости контактная сварка может осуществляться при разных давлениях на электродах Fсв. Поэтому, несмотря на многообразие сварочных режимов, все они должны выполняться с учетом ряда требований, что способствует получению высоких и стабильных результатов в производственных условиях. Соотношения I2ном,tcв,Fсв являются основными параметрами режима сварки.
Хотя сопротивление участка электрод — электрод Rээ значительно больше сопротивления любого другого участка сварочного контура, однако по абсолютному значению оно очень мало и достигает нескольких десятков или сотен микроом. Кроме того, ввиду большой теплопроводности свариваемых деталей и электродов время нагрева контакта tсв должно быть весьма малым (несколько сотых или десятых долей секунды). Так, например, для точечной сварки изделий из малоуглеродистой стали длительность протекания сварочного тока устанавливается из расчета 0,08—0,16 с на 1 мм толщины каждой из свариваемых деталей. А при сварке некоторых металлов и их сплавов требуются еще более короткие промежутки времени.
Следовательно, для обеспечения необходимого нагрева контакта требуется большой сварочный ток I2ном, который достигает нескольких десятков и сотен килоампер. Ввиду малого абсолютного сопротивления всех элементов сварочной цепи этот ток обеспечивается низким вторичным напряжением U20 — в несколько вольт (U20 — вторичное напряжение трансформатора при холостом ходе). В соответствии с ГОСТ 297—80 машины для контактной сварки должны быть изготовлены для подключения к промышленным электрическим сетям с номинальным напряжением 380 В частотой 50 Гц. По заказу потребителя машины должны быть изготовлены на номинальное напряжение питающей сети 660 В частотой 50 Гц, а машины с наибольшей мощностью короткого замыкания до 60 кВ-А — на номинальное напряжение питающей сети 220 В частотой 50 Гц. Машины, предназначенные для экспорта, следует изготовлять на номинальное напряжение питающей сети частотой 50 или 60 Гц в соответствии с заказом. Машины должны быть рассчитаны на работу при качестве электроэнергии по ГОСТ 13109—87 и при отклонениях напряжения питающей сети от —10 до +5 % номинального значения.
Для элементов вторичного контура контактных машин значение номинального длительного тока в амперах устанавливается в соответствии с ГОСТ 10594—80 со следующим рекомендуемым рядом чисел: 100, 112, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500, 560, 630, 700, 800, 900, 1000 и т. д. Этот параметр является одним из главных качественных показателей машины, так как он характеризует ее тепловую или нагрузочную мощность, при которой данная машина будет нормально работать без перегрева отдельных конструктивных элементов вторичного (силового) контура.
Во всех современных контактных электросварочных машинах в качестве источника питания используются сварочные трансформаторы. В каждой машине первичная обмотка трансформатора включается в сеть с помощью аппаратуры управления, обеспечивающей требуемую продолжительность протекания импульса сварочного тока, а вторичная обмотка трансформатора электрически соединена с внешним контуром машины, на электродах которой и осуществляется контактная сварка изделий. В машинах специального назначения со сложным питанием между сетью и первичной обмоткой сварочного трансформатора кроме аппаратуры управления может быть включен промежуточный трансформатор, или преобразователь частоты, или трансформатор с выпрямителем, или источник для накопления энергии.
Сварочный трансформатор предназначается для преобразования электрической энергии, подводимой к его первичной обмотке, в электрическую энергию с низким вторичным напряжением и большим током. Форма импульса сварочного тока полностью предопределяется схемным решением силовой электрической промежуточной части, .от которой осуществляется питание сварочного трансформатора или питание сварочного контура машины.
На рисунке представлена классификационная схема основных разновидностей сварочных трансформаторов, применяемых в современных контактных машинах, в зависимости от способа их питания По этой схеме все сварочные трансформаторы подразделяются на две основные группы: трансформаторы, преобразующие электрическую энергию переменного тока частотой 50 Гц, потребляемую из сети непосредственно во время сварки, и- трансформаторы, преобразующие энергию, предварительно накопленную одним из рассмотренных способов.
Дальнейшее подразделение внутри каждой группы производится в зависимости от схемного решения силовой электрической части, от особенностей конструктивного исполнения трансформатора, обусловленного требованиями к машине, источником питания которой он является. Из всего числа сварочных трансформаторов — источников питания контактных машин — главная доля (более 90 %) приходится на однофазные трансформаторы переменного тока частотой 50 Гц, поэтому рассмотрению вопросов, касающихся этих трансформаторов, уделено наибольшее внимание.
Трансформаторы с другими схемными решениями силовой электрической части или с использованием промежуточного силового звена будут рассмотрены в дугих статьях.
Классификационная схема трансформаторов в зависимости от способов их питания.
