Высокочастотная сварка металлов

Шамов А.Н.

Металлургия, Array г.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВАРКИ Впервые идея применения токов высокой частоты (т. в. ч.) для сваркиметаллов была предложена в 1946 г. советскими спе­циалистами во главе с А. В. Улитовским. В 50-е годы в Совет­ском Союзе и за рубежом начались интенсивные исследования по созданию технологии и оборудования для высокочастотной сварки труб, а несколько позже и для оболочек кабеля и профи­лей. Был создан способ промышленного применения высокочастот­ной сварки, при котором изделие перед сварочным узлом формуется в виде заготовки с V-образной щелью между свариваемыми кром­ками. К кромкам посредством скользящих контактов или индук­тором подводится т. в. ч. таким образом, чтобы он проходил от одной кромки к другой через место их схождения. Вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, который по мере сближения кромок усиливается, достигается высокая концентра­ция тока в месте схождения кромок. Благоприятное распределение тока, высокая степень кон­центрации мощности обеспечивают возможность ведения процесса с оплавлением тонкого слоя на поверхности свариваемых кромок и получение прочного качественного сварного соединения. На­гретые кромкиизделия обжимаются с помощью валков и свари­ваются. Качество сварного соединения и расходэлектроэнергии тесным образом связаны с особенностями протекания т. в. ч. по проводникам. 1. Законы и явления, лежащие в основе процесса высокочастотной сварки Высокочастотная сваркаметаллов основана на использовании законов электромагнитнойиндукции и полного тока, а также следующих явлений: поверхностного эффекта, эффекта близости, кольцевого или катушечного эффекта, влияния магнитопроводов и медных экранов на распределение тока в проводнике, измене­ния свойствметаллов при изменении температуры и напряжен­ности магнитного поля, возникновения электромагнитных сил [4, 6, 21, 22, 35, 391. Эти законы и явления необходимо учитывать при выборе пара­метров процесса и конструировании устройств для передачи сва­рочного тока к изделиям. 4. Механизмпроцесса высокочастотной сварки Исходя из современных представлений о сварке металлов, процессы высокочастотной сварки можно разделить па три группы. 1. сваркадавлением с оплавлением. Осуществляется при пред­варительном нагреве и местном расплавлении свариваемых по­верхностей. Расплавленный металл удаляется из зоны соедине­ния при осадке; сварное соединение образуется между поверх­ностями, находящимися в твердом состоянии. Скорость нагрева достигает 150-103 °С/с; осадка — 0,15—1,5 мм; Скоростьосадки — 2000 мм/с. 2. сваркадавлением без оплавления. Осуществляется с пред­варительным нагревом свариваемых поверхностей до температуры ниже точкиплавления свариваемого металла. Скорость нагрева не превышает 400 °С/с; осадка — 2,5—6,0 мм; Скоростьосадки — 20 мм/с. 3. сваркаплавлением без давления. Осуществляется при нагреве свариваемых элементов до оплавления. Ванна расплав­ленного металла застывает, образуя сварной шов без приложения давления. Скорость нагрева доходит до 8000 °С/с. сваркадавлением с оплавлением. Этот процесс наиболее широко распространен при производстве сварных изделий и полуфабрика­тов с непрерывным швом из черных и цветных металлов. Схема свариваемых элементов представлена на рис. 7 и 8. Свариваемые элементы, показанные на рис. 8, а, имеют одинаковые геометри­ческие размеры и материал и расположены симметрично относи­тельно вертикальной плоскости. При симметричном подводе тока к свариваемым элементам обеспечивается полная идентичность нагрева. Такую схему будем называть симметричной. Когда сва­риваемые элементы имеют неодинаковую геометрию (рис. 8, б), даже при симметричном подводе тока к элементам плотность тока на них неодинакова. Различны и условия теплоотвода. Обес­печить одинаковый нагрев обоих элементов без принятия специаль­ных мер невозможно. Такую схему будем называть несимметрич­ной. При сварке элементов с различными теплофизическими свойствами схема, приведенная на рис. 8, а, будет также несимметричной. Выбор оптимальных параметров сварочных устройств. Свари­ваемый сортамент труб ограничивается отношением D/2d. Мак­симальное значение D/2d определяется условиемустойчивости заготовки данного диаметра при осадке с оптимальным давлением, т. е. тонкостенность свариваемой трубной заготовки зависит от свариваемого диаметра и материала заготовки (табл. 28). Макси­мальное значение толщины стенки при заданном диаметретрубы определяется допустимыми электрическими потерями в ее теле, а при очень малых соотношениях — и возможностями процесса формовки. Как было показано в гл. I, сварка труб, толщина которых опре­деляется отношением D/2d (табл. 28), может быть осуществлена в широком диапазоне частот тока. Поэтому решающим фактором является простота и надежность конструкции системыпередачи тока, зависящей в значительной степени от пропускаемого тока. Чем выше частота и длительнее время нагрева, тем меньше ток (рис. 82). Снижение сварочного тока за счет увеличения времени нагрева нецелесообразно, так как при этом увеличиваются тепловые по­тери вследствие отвода тепла в тело свариваемой заготовки. Наиболее эффективно уменьшение тока за счет повышения частоты до 200—500 кГц. Дальнейшее повышение частоты, как правило, нежелательно, так как заметного уменьшения тока это на дает и ухудшаются показатели источников питания сварочных уст­ройств. Поэтому с учетом выделенного в СССР льготного диапазона частот для высокочастотной сваркитруб малого и среднего ди­аметров принята частота 440 кГц, хотя в отдельных случаях при­меняются частоты 70 и 10 кГц. За рубежом для сварки таких труб применяют частоты 170—500 кГц [18]. Наименьший расходэлектроэнергии при индукционном подводе то­ка с помощью охватывающего индуктора наблюдается при сваркетрубдиаметром 35—45 мм. Если принять мощность, потребляемую при сваркетрубдиаметром 35—45 мм за единицу, то отношение этой мощности к мощности, необходимой для сваркитрубы другого диаметра, даст коэффициент изменения мощности kM. Необхо­димо заметить, что при контактной системеподвода тока значение приведенной мощности для сваркитрубдиаметром 35—45 мм примерно такое же, как при индукционном подводе, и практически не меняется с изменением диаметра трубы. Поэтому при сваркетруб малого диаметра следует рекомендовать только систему индукционного подвода тока. С ростом диаметра свариваемой заготовки значительно увеличивается потребляемая мощность, и при диаметре заготовки 220 мм она удваивается по сравне­нию с мощностью, необходимой для сваркитрубдиаметром 35—45 мм. Однако экономичность процесса определяется не только энерге­тическими показателями. В табл. 29 приведены значения скорости, приведенной мощности и частоты тока при различных способахподвода тока для высокочастотной сваркитрубдиаметром 159— 220 мм. Из таблицы видно, что при сваркетрубдиаметром 159 и 168 мм потребляемые мощности при контактном способе с по­мощью вращающихся контактов и индукционном практически одинаковы, а по данным фирмы «Терматул», для трубдиаметром 168 мм можно уменьшить эту мощность на 10—12%, если при­менить скользящие контакты. Лишь при сваркетрубдиаметром 219 мм разница в мощностях становится ощутимой Помимо возможности иметь меньшую длину нагреваемых кро­мок и меньший расход мощности, система с контактным подводом тока удобна при перестройке стана, связанной с переходом с од­ного диаметратруб на другой. В то же время этой системе при­сущи следующие недостатки. 1. Необходимость симметричной передачи тока к свариваемым кромкам посредством контактов, симметрично расположенных относительно вертикальной плоскости. Периодическое смещение кромок относительно контактов приводит к снижению качества сварного соединения, особенно в непрерывных трубосварочных станах при прохождении через формовочную и сварочную машины стыка полос следующих друг за другом рулонов. 2. Возможность появления на поверхноститрубы локальных оплавленных участков (поджогов), возникающих вследствие об­разования электрической дуги в момент нарушения контакта. Нарушение контакта происходит при прохождении стыка, дефек­тах формовки или свариваемой ленты. 3. Необходимость периодической остановки стана при смене контактных наконечников или проточке вращающихся электродов. 16. сварка металлических оболочек электрических кабелей Целесообразность применения высокочастотной сварки в про­изводстве кабельных оболочек обусловлена следующими факто­рами: 1) использованием в качестве основного материала для оболочек электрических кабелей алюминия и стали вместо дефицитного и дорогого свинца; 2) возможностью уменьшения толщины сварной оболочки по сравнению с прессованной (рис. 93) за счет отсутствия ощутимой разиотолщинности по диаметру (у прессованной оболочки разнотолщинность достигает 10—15%); 3) возможностью сварки прак­тически любых металлов при неограниченных скоростях (при этом не выдвигаются специальные требования к качеству ленты и состоянию свариваемых кромок); 4) отсутствием специальной тепловой изоляции кабельного сердечника ввиду малого объема разогреваемого металла и высо­кой скоростиохлаждения свар­ного шва [17]. Основное требование к ка­бельным оболочкам — герметич­ность. Как правило, кабельные магистрали работают в тяжелых условиях. В процессе эксплуатации подземные кабели помимо давления грунта испытывают дополнительную нагрузку от про­ходящего транспорта, а на мостах и в местах пересечения дорог подвергаются знакопеременным нагрузкам вследствие вибраций. При высокочастотной сварке свариваемые встык оболочки (особенно из стали) имеют тонкие стенки (до 0,3 мм), Скоростьсварки периодически уменьшается в 2—3 раза по сравнению с рабочей скоростью, для свариваемых оболочек применяется стандартнаялента нормальной точности. Рассмотрим вариант наложения сварной оболочки на сердеч­ник с экраном из алюминия или меди. Этот вариант наиболее характерен для кабелей со стальной оболочкой. Как и при сваркетруб малого диаметра, необходимыми условиями для реализации процесса высокочастотной сварки тонкостенных изделий являются стабильность угла схождения, постоянство толщины оплавлен­ного слоя кромок и их устойчивость при осадке. В конструкции агрегата предусмотрены механизмы и устройства, обеспечивающие стабильность режима сварки при наличии возмущений, вносимых спецификой свариваемого изделия. К таким механизмам относится формующее устройство, в ко­тором формуется оболочка при прохождении ленты между при­водными и неприводиыми вращающимися валками. Криволиней­ные поверхности валков в сопряжении образуют калибры откры­того типа с проходными сечениями, соответствующими толщине изгибаемой заготовки (см. рис. 94). Вследствие колебаний тол­щины ленты и погрешностей инструмента наряду с пластическим изгибомленты могут возникнуть местные изменения ее толщины, которые, как правило, ведут к образованию гофров на кромках и, следовательно, к нарушению режима сварки. В формующем устройстве применена система слежения валков открытых калиб­ров 3 и 4 за геометрическими и силовыми изменениями, проис­ходящими в этих калибрах, благодаря чему удалось полностью устранить возможность образования гофров г. процесссваркиоболочки осуществляется в сварочной машине, схема которой показана на рис. 86. Машина обеспечивает полу­чение качественного сварного соединения тонкостенных оболочек. сварка оребренных труб В теплообменныхаппаратах применяются трубы с развитой наружной поверхностью, т. е. с прямыми и спиральными ребрами. Такие трубы изготавливаются методом прессования. При этом способе низка производительность и высоки капитальные за­траты, невозможно получить трубы с тонкостенными ребрами. Приварка ребер к трубам дуговой сваркой иод слоем флюса в среде углекислого газа малопроизводительна и, кроме того, зона терми­ческого влияния в теле трубы настолько велика, что создается опасность разупрочнения трубы. При высокочастотной приварке ребер к трубам обеспечивается высокая производительность, минимальная зона термического влияния, высокое качество сварного соединения при использо­вании различных материалов. В связи с этим в СССР и за рубежом ведутся работы по использованию высокочастотного нагрева при приварке ребер к трубам. сварка стальных тонкостенных спиральношовных труб Тонкостенные трубы, для которых D/2d > 100^-250, нужны, например, для сельского хозяйства, нефтепромыслов, промыш­ленной вентиляции и др. Обычно такие трубы изготавливались на станах спиральношовнои сварки с соединением кромок встык или внахлестку дуговой или контактной роликовой сваркой. При этом Скоростьсварки невелика: при дуговой сварке она не превышает 2,5 м/мин, а при контактной — 4 м/мин. Контактной сваркой можно получать качественные трубы только из холодно­катаной травленой ленты без следов ржавчины или смазки. Та­кая подготовка ленты значительно удорожает процесс производ­ства и препятствует широкому примене­нию его в промышленности. Технология высокочастотной сварки спиральношовных тонкостенных труб с контактным подводом тока (рис. 105) разработана в 1963—1965 гг. [121. Как и при сварке спиральношовных труб большого диаметра, качество соединения зависит от геометрии сва­риваемых кромок на участках нагрева и осадки. При сварке спиральношов­ных тонкостенных труб геометрия кро­мок регулироваться не может, и поэто­му для обеспечения оптимальных усло­вий сварки необходимо особое внимание уделять выбору исходных параметров формовки: углу формовки и ширине ленты, используемой для изготовления труб.