ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СВАРКА

Высокочастотная сварка — это сварка с применением давления, при которой нагрев осуществляется токами высокой частоты.

Способы высокочастотной сварки можно подразделить на три группы:

  • 1. Контактная сварка токами высокой частоты (ТВЧ) в твердой фазе. Соединяемые поверхности деталей нагревают ТВЧ до температуры ниже температуры плавления свариваемого металла и пластически деформируют (осаживают), прикладывая усилие сжатия. Механизм формирования сварного соединения в этом случае точно такой же, как при стыковой сварке сопротивлением.
  • 2. Контактная сварка ТВЧ с оплавлением. Соединяемые поверхности деталей нагревают ТВЧ до температуры, выше температуры плавления свариваемого металла (оплавляют свариваемые поверхности), и пластически деформируют (осаживают), прикладывая усилие сжатия. Механизм формирования сварного соединения в этом случае точно такой же, как при стыковой сварке оплавлением.
  • 3. Сварка плавлением ТВЧ. Соединяемые поверхности деталей нагревают ТВЧ до температуры, выше температуры плавления свариваемого металла (расплавляют свариваемые поверхности с образованием общей сварочной ванны), после чего охлаждают до нормальной температуры. Механизм формирования сварного соединения в этом случае точно такой же, как при способах сварки плавлением.

В способах сварки токами высокой частоты для решения технологических задач используется неравномерный нагрев деталей по сечению вследствие неравномерного распределения плотности переменного тока из-за поверхностного эффекта и эффекта близости.

При постоянном токе плотность тока одинакова на площади сечения 5 проводника, а электрическое сопротивление проводника постоянному току Д (Ом) при удельном электросопротивлении материала проводника р и длине проводника I определяется соотношением Д = р 1/Б. Это наименьшее сопротивление, которое может иметь данный проводник.

Иное при переменном токе. Плотность тока распределена по сечению проводника неравномерно: она максимальна на его поверхности и минимальна на оси. Эта неравномерность тем выше, чем толще проводник и выше частота / переменного тока; и при очень высокой частоте ток протекает только в тонком поверхностном слое, отчего это явление получило название скин- эффект, или поверхностный эффект (от англ, skin — кожица, поверхностный слой).

Рис. 5.20

Схема поверхностного эффекта

Скин-эффект объясняется возникновением вихревого электрического поля электромагнитной индукции.Ток высокой частоты создает внутри проводника переменное магнитное поле Н, силовые линии которого лежат в плоскости, перпендикулярной оси проводника (рис. 5.20). Под его воздействием в массивных проводниках возникают вихревые токи ув (токи Фуко). По физической природе они ничем не отличаются от индукционных токов в линейных проводниках.

Вихревые токи ув от переменного магнитного поля проводника с током I, которые замкнуты в кольца, взаимодействуют с током I проводника. У оси проводника токи jB направлены навстречу, а около поверхности проводника — попутно вызвавшему их току I. В результате вихревое электрическое поле на оси проводника всегда препятствует, а у поверхности — способствует изменениям переменного тока, а значит, на оси проводника ток слабее, а на поверхности — сильнее. Для количественной оценки этого явления введено такое понятие, как толщина скин-слоя 5. Она определяется как глубина, на которой плотность тока уменьшается в е (е « 2,7 — основание натурального логарифма) раз по сравнению с током на поверхности проводника. Толщина скин-слоя 8 рассчитывается по формуле

где р — магнитная проницаемость; а — удельная электропроводимость металла детали в зоне нагрева (а = 1 /р).

Повышение температуры металла при сварке приводит к некоторому увеличению глубины проникания тока из-за снижения удельной электропроводимости ст и магнитной проницаемости р металла. Особенно существенно

Табл и ц а 5.2

Глубина проникания тока для сталей, мм

Частота тока, кГц

Сталь

70

450

Температура, °С

20

1000

20

1000

Углеродистая

0,11

2,3

0,045

0,9

Аустенитная

1,7

2,3

0,67

0,9

Рис. 5.21

Схема эффекта близости в проводниках: а — при противоположных направлениях токов; б — при одинаковых направлениях токов: 1 и 2 — проводники токов I, и /2 высокой частоты.

это проявляется при нагреве сталей, претерпевающих магнитное превращение, выше точки Кюри (табл. 5.2).

Эффект близости проявляется в том случае, когда по двум близко расположенным проводникам 1 и 2 протекают токи высокой частоты 1Х и 12 (рис. 5.21). При этом вихревые токи, наведенные магнитным полем Нх проводника 1 в соседнем проводнике 2, взаимодействуют с основным током 12 этого проводника, а вихревые токи, наведенные магнитным полем Н2 проводника 2 в проводнике 1, — с основным током 1Х этого проводника. В результате такого взаимодействия происходит перераспределение плотностей токов ?х и ]2 в обоих проводниках. При этом ?х и у2 увеличиваются на обращенных друг к другу сторонах проводников симметричной цепи, если токи/: и/2 в проводниках протекают в противоположных направлениях (рис. 5.21а), и на взаимно удаленных поверхностях, если направление токов 1Х и 12 одинаковое (рис. 5.216).

При сварке ТВЧ вследствие поверхностного эффекта электрический ток при высоких частотах течет преимущественно в поверхностном слое проводника. Это приводит к уменьшению площади электропроводящего сечения и увеличению электросопротивления проводника, а при сварке — к увеличению выделяемой теплоты.

Нагрев и формирование соединения при сварке ТВЧ могут происходить одновременно по всей поверхности свариваемых кромок деталей, например при стыковой сварке труб. Однако более широко применяются процессы, в которых нагрев и формирование соединения происходят в небольшой зоне, перемещающейся вдоль свариваемых кромок деталей, например при изготовлении сварных труб с продольным швом (рис. 5.22). Но из-за неравномерного распределения тока по сечению деталей сварку ТВЧ используют при соединении деталей относительно небольшой толщины, как правило до 10 мм.

Различают процессы сварки ТВЧ с контактным и бесконтактным (индукционным) подводом тока к деталям.

При обоих вариантах подвода тока в процессе сварки ТВЧ труб продольным швом их заготовки 1 системой направляющих роликов 2 со скоростью сварки осв подаются к месту формирования сварного соединения. [1]

Рис. 5.22

Схема высокочастотной сварки труб с контактным (а) и индукционным (б) подводом сварочного тока:

В варианте сварки с контактным подводом высокочастотного тока к деталям (см. рис. 5.22а) его подводят к трубной заготовке при помощи контактов 3 и 4. Сварочный ток 1СВ между контактами 3 и 4 проходит вдоль кромок трубы и через точку их соприкосновения вблизи сжимающих роликов 5. Направления тока в свариваемых кромках трубы взаимно противоположны, поэтому высокая плотность тока на соединяемых поверхностях в процессе сварки поддерживается вследствие как поверхностного эффекта, так и эффекта близости. Для того чтобы уменьшить ток шунтирования 1Ш и тем самым увеличить сварочный ток /св, в трубную заготовку 1 вставляют ферритовый стержень 6, который увеличивает реактивное сопротивление прохождению тока вокруг трубной заготовки.

Параметры режима сварки подбирают такими, чтобы к моменту прохождения трубой роликов 5, сжимающих свариваемые кромки с усилием осадки .Рос, их температура достигала требуемого значения. Во время прохождения трубной заготовкой сжимающих роликов 5 и происходит формирование сварного шва 7.

При индукционном подводе тока (рис. 5.226) трубную заготовку 1 перед сжимающими роликами 5 охватывают полым, охлаждаемым водой кольцевым индуктором 8. При прохождении по индуктору 8 тока высокой частоты в трубной заготовке индуктируется ток. Ток стремится протекать по кольцевому пути под индуктором 8, но из-за наличия щели в трубной заготовке отклоняется к точке схождения кромок и концентрируется на их поверхности так же, как и при контактном подводе тока.

При контактной схеме подвода тока процесс сварки труб менее технологичен, поскольку требуется точная установка контактов относительно свариваемых кромок, тщательная обработка поверхностей заготовок, иначе на поверхности трубы в местах подвода тока возможны поджоги и быстрый износ контактов. При индукционном подводе тока в этом нет необходимости, процесс сварки труб более стабилен, но его КПД на 40...50% ниже, чем при контактном способе.

Формирование соединений в твердой фазе без расплавления кромок применяют в основном при сварке труб из низкоуглеродистой стали, так как на их поверхности не образуются прочные и тугоплавкие окислы. Для изготовления труб из легированных сталей и цветных металлов, окислы которых тугоплавкие, используют сварку ТВЧ с оплавлением кромок. В этом случае задают режим сварки, обеспечивающий высокую концентрацию нагрева и допускающий увеличение скорости сварки осв до 100... 120 м/мин, что позволяет сваривать без защиты трубы из легких сплавов, коррозионностойкой стали, меди, латуни, циркония и других металлов. При этом в соединении образуется сравнительно небольшое количество грата.

Способы контактной сварки ТВЧ с оплавлением применяют также для изготовления труб со спиральным швом, для приварки к трубам продольных, поперечных и спиральных ребер и др.

Способы контактной сварки ТВЧ в твердой фазе широко применяют и для сварки неметаллических материалов, например ПХВ пленок и труб.

Сварка плавлением ТВЧ, которую осуществляют без давления, используется, например, при получении соединений по отбортовке деталей (рис. 5.23). На собранные под сварку детали 1 с плотно прилегающими отбортованными кромками одевают индуктор 2 и включают ТВЧ. Вихревыми токами свариваемые кромки оплавляются. Общая ванна расплавленного металла 3 при охлаждении кристаллизуется и образует сварной шов так же, как и при дуговой сварке подобных соединений неплавящим- ся электродом.

При сварке ТВЧ для нагрева деталей используют ток частотой 70...450 кГц.

Схема сварки плавлением ТВЧ

Рис. 5.23 Схема сварки плавлением ТВЧ:

1 — детали; 2 — индуктор; 3 — ванна расплавленного металла.

Согласно сущности сварки ТВЧ для ее осуществления необходима специальная сварочная установка, учитывающая особенности материалов и конструкции каждого изделия. Поэтому оборудование общего назначения для сварки ТВЧ промышленностью не выпускается.

Таким образом, очевидно, что технологии и оборудование контактной сварки довольно разнообразны и совершенны, позволяют получать сварные соединения высокого качества, отличаются высокой степенью механизации и автоматизации процессов сварки, экономичностью, экологической чистотой ит. д., чем и объясняется их широкое применение в промышленности и строительстве.

  • [1] — заготовки труб; 2 — направляющие ролики; 3 и 4 — контакты; 5 — сжимающие ролики; 6 — ферритовый стержень; 7 — сварной шов; 8 — кольцевойиндуктор.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >