Пристрій для одностороннього контактного точкового зварювання

Реферат: Пристрій для контактного точкового зварювання, до складу якого входять: зварювальні електроди, перший з яких підключений до першої клеми ємнісного накопичувача; перетворювач змінної напруги мережі живлення в струм заряду накопичувача (в найпростішому варіанті, однофазний або трифазний керований випрямляч змінної напруги мережі живлення та зарядний резистор), до виходів якого підключено ємнісний накопичувач електричної енергії, друга клема якого підключена до входу перемикаючого ключа; діод, який підключений між другим виходом ключа та першою клемою ємнісного накопичувача; блок керування ключом, вихід якого підключений до управляючого входу перемикаючого ключа. Введені генератор високої частоти, вхід якого підключений до першого виходу перемикаючого ключа, а вихід - до другого зварювального електрода; формувач зварювального струму, який складається з індуктивного реактора з відводом обмотки , вхід якого підключений до другого виходу ключа, а вихід підключений другого зварювального електрода; шунтуючий конденсатор, який підключений до першого зварювального електрода та до відводу з обмотки індуктивного реактора, а як ємнісний накопичувач використано батарею молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром. UA 117823 U (12) UA 117823 U UA 117823 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до зварювальної техніки, зокрема до пристроїв для одностороннього контактного точкового зварювання, яке включає пристрої для контактного зварювання деталей малих товщин і перерізів, і може бути використане в електронній та приладобудівній промисловості. Є відомим пристрій для контактного зварювання, який складається із зварювального трансформатора та випрямляча. Осердя трансформатора виконано тороїдальним, [а. с. SU 1613275 Шеин Е.Б., Шеин А.Б., Богданов Н.Н., Гецкин Б.Л., Галкин В.А. Устройство для контактной сварки. Опубл. 15.12.1990]. Основний недолік пристрою пов'язаний із зварювальним трансформатором, наявність якого приводить до збільшення масогабаритних розмірів та ваги пристрою, а також зварювальний трансформатор обмежує частотні властивості. Є відомими пристрої - джерела живлення для контактного точкового зварювання на підвищених частотах. До складу цих джерел, в обов'язковому порядку, входять набір силових тиристорних ключів та високочастотний зварювальний трансформатор, вторинна обмотка якого підключена до зварювальних електродів. Використання силових тиристорних ключів забезпечує швидкий спад зварювального струму в колі зварювальних електродів, що дозволяє досить точно дозувати енергетику створення нероз'ємного з'єднання, [а.с. SU 1682084 Шеин Е.Б., Яров В.М., Гецкин Б.Л., Галкин В.А. Источник питания для контактной сварки на повышенной частоте. Опубл. 23.05.1989; а.с. SU 1481003 Атаманов В.Н., Лукашев А.В., Круглое Г.Н., Калимулин В.А., Аксенов В.Ф. Управляемый источник для контактной сварки на повышенных частотах. Опубл. 07.10.1991]. Недоліки пристроїв - джерел живлення для контактного точкового зварювання на підвищених частотах пов’язані із зварювальним трансформатором, який обмежує частотні передаточні властивості пристрою. Застосування тиристорів як силових ключів приводить до того, що відносно крутий фронт наростання імпульсу зварювального струму визиває виплески металу із зони зварювання, що негативно позначається на якості зварювання. Для запобігання виплескам підвищують ступінь стиску зварюваних деталей, що потребує додаткових енергетичних затрат. Є відомим пристрій для контактного точкового зварювання, вибраний як прототип, до складу якого входять: перетворювач змінної напруги мережі живлення в постійний зарядний струм (в найпростішому варіанті, однофазний або трифазний керований випрямляч змінної напруги мережі живлення та зарядний резистор) один з виходів якого підключено до входу ключа; перший вихід ключа підключений до однієї з клем ємнісного накопичувача електричної енергії; до другого виходу ключа підключений один з входів комутатора полярності. Другий вхід комутатора полярності підключений до другої клеми накопичувача. Два виходи комутатора полярності підключені до входів первинної обмотки зварювального трансформатора. Вторинна обмотка зварювального трансформатора підключена до зварювальних електродів. До клем ємнісного накопичувача електричної енергії підключений діод, який формує однополярний імпульс (серію однополярних імпульсів) у вторинній обмотці зварювального трансформатора при розряді ємнісного накопичувача електричної енергії (т.н. аперіодичний розряд накопичувача). Ручний або автоматизований блок керування, виходи якого підключені до управляючих входів ключа та комутатора полярності, задає циклограму процесу [Орлов Б.Д. и др. Технология и оборудование контактной сварки: Учебник для машиностроительных вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986 г., с. 242-245]. В цьому пристрої ємністний накопичувач електричної енергії (батарея конденсаторів) заряджається від джерела змінної напруги мережі живлення через перетворювач змінної напруги в струм. При перемиканні ключа накопичена енергія викликає однополярний (інша полярність шунтується діодом) імпульс струму в первинній обмотці зварювального трансформатора, що приводить до формування імпульсу зварювального струму в електричному колі закорочених, через зварювані деталі, зварювальних електродів. Таким чином, в зонах установки зварювальних електродів формується нероз'ємне зварне з'єднання. Для запобігання замагнічуванню зварювального трансформатора при зварюванні однополярними імпульсами зварювального струму наступне зварювання виконують за умови, при якій напрям (полярність) струму в первинній обмотці зварювального трансформатора змінюється комутатором полярності на протилежний. Недоліки пристрою пов’язані із зварювальним трансформатором, наявність якого приводить до збільшення масогабаритних розмірів та ваги пристрою. По-друге, зварювальний трансформатор обмежує передаточні властивості пристрою по частоті. В результаті форма імпульсу зварювального струму в процесі зварювання не регулюється, а відносно крутий фронт наростання визиває виплески металу із зони зварювання, що погіршує якість зварювання. Для 1 UA 117823 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 запобігання виплескам підвищують ступінь стиску зварюваних деталей, що потребує додаткових енергетичних затрат. Додаткові втрати енергії також пов'язані з шунтуючим діодом, який закорочує первинну обмотку зварювального трансформатора та ємнісний накопичувач електричної енергії при зміні знака напруги при його розряді. По-третє, недоліком пристрою є погіршення якості зварного з'єднання при односторонньому точковому зварюванні, з причини шунтування зварювального струму електричним колом верхньої деталі, що призводить до зменшення проплавлення зі сторони нижньої деталі. В основу корисної моделі, що пропонується, поставлена задача зменшення масогабаритних розмірів та ваги пристрою; поліпшення якості зварювання (зменшення виплесків металу із зони зварювання); покращення енергоефективності пристрою як при формуванні нероз'ємних точкових зварних з'єднань, так і в цілому. Поставлена задача вирішується, за рахунок того, що в пристрій для контактного точкового зварювання, до складу якого входять: зварювальні електроди, перший з яких підключений до першої клеми ємнісного накопичувача; перетворювач змінної напруги мережі живлення в струм заряду накопичувача (в найпростішому варіанті, однофазний або трифазний керований випрямляч змінної напруги мережі живлення та зарядний резистор), до виходів якого підключено ємнісний накопичувач електричної енергії; друга клема якого підключена до входу перемикаючого ключа, діод, який підключений між другим виходом ключа та першою клемою ємнісного накопичувача, блок керування ключом, вихід якого підключений до управляючого входу перемикаючого ключа згідно з корисною моделлю, введені генератор високої частоти, вхід якого підключений до першого виходу перемикаючого ключа, а вихід - до другого зварювального електрода; формувач зварювального струму, який складається з індуктивного реактора з відводом обмотки, вхід якого підключений до другого виходу ключа, а вихід підключений до другого зварювального електрода; шунтуючий конденсатор, який підключений до першого зварювального електрода та до відводу з обмотки індуктивного реактора, а як ємнісний накопичувач використано батарею молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром. Процес формування нероз'ємного точкового з'єднання складається з двох фаз. В першій фазі зварювальні електроди, які розміщується зі сторони верхньої деталі, підключаються до джерела живлення високої частоти. Деякий проміжок часу виконується як поверхневий високочастотний нагрів верхньої деталі, на якій розташовані зварювальні електроди, причому основне джерело нагріву концентрується в верхньому тонкому шарі верхньої деталі (скін шар; скін ефект). По закінченні першої фази зварювальні деталі стискують і, в другій фазі, пропускають імпульс зварювального струму від ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємнісний накопичувач), який формує нероз'ємне точкове з'єднання. Таким чином, в першій фазі зварювального процесу струм високої частоти визиває поверхневий нагрів деталі, на якій розташовані зварювальні електроди, причому поширення тепла проходить виключно через механізм теплопередачі, яка утруднюється наявністю проміжку з низькою теплопровідністю між зварюваними деталями. Відповідно температура деталі, на якій розташовані зварювальні електроди, зростає значно швидше у порівнянні з ростом температури деталі, яка знаходиться на протилежній стороні. Таким чином, на кінець першої фази зварювального процесу електричний опір кола верхньої деталі буде більшим, ніж електричний опір кола нижньої деталі, і відповідно, після стискання деталей, в другій фазі зварювального процесу зварювальний струм проходить, переважно, по колу другої деталі. Саме це дозволяє підвищити якість зварювального з'єднання шляхом збільшення проплавлення деталі, яка знаходиться на протилежній від електродів стороні, через зменшення частки струму (шунтуючого), що протікає по верхній деталі. Високий імпеданс проміжку між зварювальними деталями у порівнянні з внутрішнім опором ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємнісного накопичувача), також дає змогу зменшити потужність джерела нагріву та підвищити енергоефективність процесу формування нерознімних точкових зварних з'єднань. Ефективність використання накопичувачів в пристрої для одностороннього контактного точкового зварювання, як засобу підвищення енергоефективності, може бути оцінена  t співвідношенням: 3  p , де t p та t 3 - час розряду та час заряду накопичувача; Рр та Р3 p t 3 середні значення потужностей при розряді та заряді накопичувача;  - коефіцієнт корисної дії пристрою для одностороннього контактного точкового зварювання в режимі формування нерознімних точкових зварних з'єднань. 2 UA 117823 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відсутність зварювального трансформатора зменшує матеріалоємність пристрою та зменшує його вагу, а наявність індуктивного реактора дозволяє зменшити виплески металу із зони зварювання шляхом вибору швидкості наростання зварювального струму відповідно до режимів формування нерознімних точкових зварних з'єднань, що в свою чергу підвищує якість зварювального з'єднання. Ознаки, що відрізняють запропонований пристрій для одностороннього контактного точкового зварювання від ознак подібних пристроїв того ж призначення обумовлюють вказаний вище технічний результат за рахунок використання накопичувача електричної енергії та створення умов перерозподілу струмів в колі зварювальних електродів через підвищення електричного опору верхньої деталі. На Фіг.1 приведена спрощена схема пристрою для одностороннього контактного точкового зварювання. На Фіг.2 - приведена циклограма роботи пристрою для одностороннього контактного точкового зварювання. На циклограмі відображені амплітудно-часові зміни струму в колі зварювальних електродів синхронно з фазами процесу формування нероз'ємного точкового з'єднання. Пристрій для одностороннього контактного точкового зварювання (Фіг. 1) складається з перетворювача 1 змінної напруги мережі живлення в струм заряду накопичувача (в найпростішому варіанті, однофазний або трифазний керований випрямляч змінної напруги мережі живлення та зарядний резистор), ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємнісного накопичувача) 2 електричної енергії, перемикаючий ключ 3, діод 4, блок керування ключом 5, генератор високої частоти 6, індуктивний реактор 7 з відводом обмотки 8, шунтуючий конденсатор 9, зварювальні електроди 10. На Фіг.2 через t позначено часовий проміжок між моментом закінчення струму, який викликає нагрів верхньої деталі, та початком подачі імпульсу зварювального струму, цей проміжок використовується для стискання зварювальних деталей; зв.макс. - максимальний зварювальний струм в колі електродів 10, причому зв.макс. = Uнакоп.макс. / (Rвн накопич. + Rзв. кола) де Uнакоп.макс. - напруга на клемах ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємнісного накопичувача) 2; Rвн накопич. - внутрішній електричний опір ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємнісного накопичувача) 2; Rзв. кола - сумарний електричний опір зварювального кола електродів 10, що включає електричний опір зварювальних кабелів, зварювальних електродів та електричний опір проміжку між зварювальними деталями. Пунктирні лінії показують варіанти різних швидкостей наростання зварювального струму в колі електродів 10, вибір яких регулює рівень виплеску металу із зони зварювання. Вхід перетворювача 1 змінної напруги мережі живлення в струм заряду ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємнісного накопичувача) підключений до промислової мережі живлення 11, а його виходи підключені до клем ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємнісного накопичувача) 2. До позитивної клеми ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємнісного накопичувача) 2 підключений вхід перемикаючого ключа 3; до негативної клеми ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємнісного накопичувача) 2 підключені анодний вивід діода 4, один з виводів конденсатора 9 та один із зварювальних електродів 10. Управляючий вхід перемикаючого ключа 3 підключений до виходу блока керування ключом 5; один з виходів перемикаючого ключа 3 підключений до входу генератора високої частоти 6, другий вихід перемикаючого ключа 3 підключений до катодного виводу діода 4 та до входу індуктивного реактора 7, до відводу обмотки 8 якого підключений другий вивід конденсатора 9. Вихід генератора високої частоти 6 та вихід індуктивного реактора 7 підключені до другого зварювального електрода 10. Змінний струм мережі живлення 11 понижується, випрямляється та перетворюється перетворювачем 1 в струм заряду ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємнісного накопичувача) 2. Електрична енергія змінного струму мережі живлення 11 накопичується в ємнісній батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємністному накопичувачі) 2, що створює на його клемах різницю потенціалів (напругу) U=Q/Cн, де Сн - ємність накопичувача 2, U - різниця потенціалів (напруга) на його клемах, Q - рівень накопиченого заряду. Блок керування ключем 5 формує циклограму формування нероз'ємного точкового з'єднання. В першій фазі формування нероз'ємного точкового з'єднання блок керування ключем 5 підключає вихід перемикаючого ключа 3 до входу генератора високої частоти 6. До «верхньої» зварювальної деталі, через зварювальні електроди 10 подається високочастотний імпульс 3 UA 117823 U 5 10 15 20 25 струму (Фіг.2 фаза І), який викликає високочастотний поверхневий нагрів «верхньої» зварювальної деталі, що розташована між електродами 10. По закінченні високочастотного імпульсу «верхня» зварювальна деталь та «нижня» зварювальна деталь стискаються (протягом часового проміжку t ) і починається друга фаза формування нероз'ємного точкового з'єднання. Блок керування ключем 5 відключає генератор високої частоти 6 та підключає другий вихід перемикаючого ключа 3 до входу індуктивного реактора 7. Напруга ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром (ємністного накопичувача) 2 визиває поступовий ріст зварювального струму (Фіг.2 фаза II) (швидкість зростання струму обмежується індуктивністю реактора 7 та регулює величину виплеску металу із зварювальної ванни) в колі зварювальних електродів 10 до його максимального рівня та підтримання рівня зварювального струму протягом другої фази формування нероз'ємного точкового з'єднання (формування зварних точок). По закінченні другої фази струм самоіндукції індуктивного реактора 7 протікає по колу діода 4, захищаючи, тим самим, другий вихід перемикаючого ключа 3 від небажаного стрибка потенціалу. Конденсатор 9 перешкоджає проникнення високочастотної напруги на другий вихід перемикаючого ключа 3 в першій фазі формування нероз'ємного точкового з'єднання. Позитивна якість пристрою для одностороннього контактного точкового зварювання, що пропонується, полягає в тому, що, за час протягом першої фази формування нероз'ємного точкового з'єднання внаслідок високочастотного нагріву поверхневого шару «верхньої» зварювальної деталі її електричний опір підвищується. В результаті, зварювальний струм джерела протікає переважно по «нижній» зварювальній деталі, збільшує проплавлення «нижньої» зварювальної деталі та підвищує якість формування нероз'ємного точкового з'єднання без викиду розплавленого металу з місця установки зварювальних електродів. Крім того, низький рівень внутрішнього опору ємнісної батареї молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром у порівнянні з сумарним електричним опором зварювального кола електродів в пристрої для одностороннього контактного точкового підвищує його енергоефективність, відсутність зварювального трансформатора зменшує матеріалоємність пристрою та зменшує його вагу, а наявність індуктивного реактора дозволяє покращити якість зварювання через зменшення виплесків металу із зони зварювання. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 Пристрій для контактного точкового зварювання, до складу якого входять: зварювальні електроди, перший з яких підключений до першої клеми ємнісного накопичувача; перетворювач змінної напруги мережі живлення в струм заряду накопичувача (в найпростішому варіанті, однофазний або трифазний керований випрямляч змінної напруги мережі живлення та зарядний резистор), до виходів якого підключено ємнісний накопичувач електричної енергії, друга клема якого підключена до входу перемикаючого ключа; діод, який підключений між другим виходом ключа та першою клемою ємнісного накопичувача; блок керування ключом, вихід якого підключений до управляючого входу перемикаючого ключа, який відрізняється тим, що введені генератор високої частоти, вхід якого підключений до першого виходу перемикаючого ключа, а вихід - до другого зварювального електрода; формувач зварювального струму, який складається з індуктивного реактора з відводом обмотки , вхід якого підключений до другого виходу ключа, а вихід підключений до другого зварювального електрода; шунтуючий конденсатор, який підключений до першого зварювального електрода та до відводу з обмотки індуктивного реактора, а як ємнісний накопичувач використано батарею молекулярних конденсаторів з подвійним електричним шаром. 4 UA 117823 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5