Разработка бытового аппарата для контактной сварки с инверторным источником питания

This article presents the results of ceramics to metal soldering using electron beam irradiation. There was presented a fundamental possibility of the soldering process, demonstrated the obtained samples and their characteristics.

Keywords: plasma electron source, forevacuum pressure range, electron beam, electron beam soldering, ceramics, leakproofness.

РАЗРАБОТКА БЫТОВОГО АППАРАТА ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ С ИНВЕРТОРНЫМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ Иванов Николай Иванович, к.т.н., доцент Абышев Кирилл Игоревич, инженер Романенко Дмитрий Николаевич, к.т.н., доцент Маслов Георгий Сергеевич, студент магистратуры Юго-Западный государственный университет

В настоящее время с появлением и развитием малых предприятий, фермерских хозяйств, садово-огородных и дачных участков, небольших частных ремонтных мастерских и других сервисных предприятий возникла необходимость соединения металлов относительно небольших толщин (до 1,0^1,5 мм) и сечений (до 06 мм) в новых условиях. Реализовать эту потребность во многих случаях можно с помощью переносных аппаратов для контактной сварки небольшой мощности, имеющих малые габариты и вес, и питающихся от бытовой электрической сети 220 В. Однако, промышленное производство доступных по цене аппаратов с требуемыми техническими характеристиками пока ограничено.

Такими аппаратами, в отличие от аппаратов дуговой сварки штучными электродами, могут успешно выполняться различные типы соединений [1]:

- нахлесточные соединения тонколистовых деталей между собой и с деталями большой толщины;

- соединения крепежа с листовыми деталями в нахлестку и в тавр;

- соединения деталей типа «проволока» или «пруток» между собой в крест и с листовыми деталями в нахлестку и др.

В понятие «машина (аппарат) для контактной сварки» входят собственно машина (аппарат) и электронная аппаратура управления [2]. Из широкой номенклатуры выпускаемого в настоящее время оборудования для контактной сварки наименьшей установочной мощностью, характеризуются переносные аппараты (клещи) со встроенным сварочным трансформатором и отдельным блоком управления. Подавляющее большинство таких аппаратов питается от промышленной сети напряжением 380 В и имеет мощность, которую нельзя получить от бытовой электрической сети 220 В.

Из отечественных аппаратов, питающихся от электрической сети 220 В можно отметить клещи электросварочные бытовые типа КСБ-03 УХЛ4, выпускаемые ЗАО «Псковэлектросвар».

В аппарате КБС-03 сварочный трансформатор переменного тока частотой 50 Гц встроен в клещи. Усилие сжатия электродов в клещах создается

рукой сварщика при помощи рычажной системы через силовую пружину тарельчатого типа, у которой регулируется предварительное поджатие.

Достоинством конструктивного исполнения клещей с встроенным сварочным трансформатором является относительно небольшая потеря мощности во вторичном контуре, а недостатком - ощутимое увеличение веса клещей. Так масса клещей КБС-03 составляет более 12 кг, что предопределяет достаточно высокую трудоемкость их эксплуатации.

Значительно уменьшить массу клещей можно при использовании для питания сварочного трансформатора тока повышенной частоты. Трансформаторы, питаемые током повышенной частоты (700^1500 Гц), в контактных машинах имеют массогабаритные характеристики значительно меньшие, чем трансформаторы, питаемые напряжением промышленной частоты [3].

Для разработки бытового аппарата с питанием сварочного трансформатора током повышенной частоты нами предпочтение было отдано схеме автономного резонансного инвертора тока [4], применяемой для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты более 1000 Гц. В рассматриваемом варианте инвертора частота управляющих сигналов должна быть меньше собственной частоты последовательного контура /о. Это необходимо для того, чтобы перезарядка конденсаторов заканчивалась до отпирания очередной пары тиристоров в инверторе. При этом в нагрузочном токе создаются паузы, в течение которых очередная пара тиристоров должна успеть закрыться.

В разработанной схеме, показанной на рис. 1, инверторный источник тока при питании от бытовой электрической сети 220 В позволяет получать импульсы тока повышенной частоты (около 1,2 кГц), амплитудой до 8 кА. Подключение инверторного источника питания к сети осуществляется через автоматический выключатель QF1, расположенный на панели блока управления аппаратом. Электрическая схема аппарата работает следующим образом.

При нажатии кнопки 8Б1 происходит разряд конденсатора С2 через цепочку: Я3, С12, ¥Э3, обмотку Ь2 импульсного трансформатора ТУ1 и переход эмиттер-база транзистора УТ1. Основной (короткий) импульс тока через обмотку Ь2 протекает за счет заряда конденсатора С12, который в исходном состоянии разряжен через резистор Я3, а затем небольшой ток через обмотку Ь2 течет через резистор Я3, служащий также для полного разряда конденсатора С2.

Повторный запуск схемы возможен только через время Я2С2, что ограничивает минимальную паузу между сварочными циклами. Диод ¥Э3 служит для исключения заряда С2 через цепочку Яб, Я5.

Рис.1 - Схема электрическая принципиальная инверторного источника бытового аппарата для контактной сварки

При замыкании кнопки SB1 происходит также заряд конденсатора С4 через резистор R5 и переход база-эмиттер транзистора VT1. Резистор R5 служит для ограничения тока через переход база-эмиттер транзистора VT1. Импульс зарядного тока открывает транзистор VT1 на время R5 C4 и разряжает конденсатор С5. При этом транзистор VT2 закрывается на время С5(R7+R18). Импульс тока запуска включает тиристоры VS3 и VS6. Начинает протекать ток заряда конденсатора С10 через обмотку сварочного трансформатора. Цепочка R21, С11 служит для начального включения тиристоров и для уменьшения амплитуды напряжения выбросов при закры-

dU

вании тиристоров, а также скорости нарастания dt импульсов выбросов.

По окончании заряда конденсатора С10 тиристоры VS3 и VS6 закрываются. Напряжение на конденсаторе С10 открывает транзистор VT4 через цепочку R10, R11, VD5, R13. Через открытый транзистор VT4 и резистор R9 начинается заряд конденсатора С8. По достижении на нем напряжения пробоя стабилитрона VD10 включается тиристор VS2 и конденсатор С8 разряжается на обмотку L1 трансформатора TV2. При этом включаются тиристоры VS5 и VS4 и начинается перезаряд конденсатора С10.

По окончании заряда конденсатора С10 тиристоры VS4 и VS5 закрываются и напряжение на конденсаторе С10 включает транзистор VT3 и через резистор R9 начинается заряд конденсатора С 7 или конденсаторов С7+С6. По достижении напряжения изар пробоя стабилитрона VD6 включается тиристор VS1, разряжая конденсатор С7 на обмотку L1 трансформатора TV1. При этом включаются тиристоры VS3 и VS6 и цикл начинается сначала. Между тем идет заряд конденсатора С5 через резисторы R18+R7 и по достижении напряжения изар пробоя стабилитрона VD4 включается транзистор VT2, транзистор VT3 закрывается и процесс генерации прекращается.

Для разработки механизма сжатия свариваемых деталей электродами в клещах бытового аппарата за основу была принята кинематическая схема электросварочных клещей аппарата КБС-03 (рис. 2).

Рис. 2. Кинематическая схема ручного привода механизма сжатия клещей бытового аппарата для контактной сварки

Из данной схемы исключена силовая пружина, осуществляющая предварительное поджатие рычажной системы.

При расчете силы Есж, сжимающей свариваемые детали между электродами, принято, что на рукоятку действует сжимающая сила руки сварщика Гд = 100 Н, а элементы кинематической схемы клещей имеют следующие параметры: 11 = 205 мм; 12 = 25 мм; /3 = 40 мм; /4 = 115 мм; /5 = 125 мм; а = 55о; в = 15о.

Из равенства моментов относительно точки А следует:

Fд /1 = ^ • /2 ,

откуда

F

F¿_

¡2 ;

F =

100 • 205

25

= 820

Н

F' =

F

F ' =

cosa 820

1429

Н .

cos 55'

F" = F 'cos^.

?

F"= 1429- cosl5° = 1380 , Н .

Из равенства моментов относительно точки Г следует

Fсж' l5 = F" ' l4

откуда

F

F = П±

сж j

l5

1380 • 115

1269

125 , Н.

Из расчета видно, что сила, сжимающая детали между электродами, возрастает более чем в десять раз по сравнению с силой, с которой сварщик рукой давит на рукоятку. Получаемого при используемых параметрах кинематической схемы диапазона усилий сжатия вполне достаточно для выполнения соединений рассматриваемого диапазона толщин и сечений свариваемых деталей.

Список литаратуры

1. Гуляев А.И. Технология точечной и рельефной сварки сталей. - М.: Машиностроение, 1978. - 246 с.

2. Глебов Л.В., Филиппов Ю.И., Чулошников П.Л. Устройство и эксплуатация контактных машин. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 312с.

3. Будилов В. А., Резников Б.Н. Инверторный источник питания для машин контактной сварки // Новые сварочные источники питания: Сб. науч. тр. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1992. - С.103-105.

4. Основы промышленной электроники: Учебник для вузов / В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; Под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986. - 336 с.