Высокочастотная сварка металлов

Раздел ГРНТИ: Сварка
Шамов А.Н.
Металлургия, г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Высокочастотная сварка металлов
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВАРКИ Впервые идея применения токов высокой частоты (т. в. ч.) для сварки металлов 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 кромки изделия обжимаются с помощью валков и свари­ваются. Качество сварного соединения и расход электроэнергии тесным образом связаны с особенностями протекания т. в. ч. по проводникам. 1. Законы и явления, лежащие в основе процесса высокочастотной сварки Высокочастотная сварка металлов основана на использовании законов электромагнитной индукции 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 свойств металлов 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. Механизм процесса высокочастотной сварки Исходя из современных представлений о сварке металлов, процессы высокочастотной сварки можно разделить па три группы. 1. сварка давлением 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; Скорость осадки — 2000 мм/с. 2. сварка давлением без оплавления. Осуществляется с пред­варительным нагревом свариваемых поверхностей до температуры ниже точки плавления свариваемого металла. Скорость нагрева не превышает 400 °С/с; осадка — 2,5—6,0 мм; Скорость осадки — 20 мм/с. 3. сварка плавлением 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. сварка давлением 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 условием устойчивости 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 диаметре трубы 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 системы передачи 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 сварки труб 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 расход электроэнергии при индукционном подводе то­ка с помощью охватывающего индуктора наблюдается при сварке труб диаметром 35—45 мм. Если принять мощность, потребляемую при сварке труб диаметром 35—45 мм за единицу, то отношение этой мощности к мощности, необходимой для сварки трубы другого диаметра, даст коэффициент изменения мощности kM. Необхо­димо заметить, что при контактной системе подвода тока значение приведенной мощности для сварки труб диаметром 35—45 мм примерно такое же, как при индукционном подводе, и практически не меняется с изменением диаметра трубы. Поэтому при сварке труб 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 сварки труб диаметром 35—45 мм. Однако экономичность процесса определяется не только энерге­тическими показателями. В табл. 29 приведены значения скорости, приведенной мощности и частоты тока при различных способах подвода тока для высокочастотной сварки труб диаметром 159— 220 мм. Из таблицы видно, что при сварке труб диаметром 159 и 168 мм потребляемые мощности при контактном способе с по­мощью вращающихся контактов и индукционном практически одинаковы, а по данным фирмы «Терматул», для труб диаметром 168 мм можно уменьшить эту мощность на 10—12%, если при­менить скользящие контакты. Лишь при сварке труб диаметром 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 диаметра труб 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 поверхности трубы 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 скорости охлаждения 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), Скорость сварки периодически уменьшается в 2—3 раза по сравнению с рабочей скоростью, для свариваемых оболочек применяется стандартная лента 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 сварке труб 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 изгибом ленты 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. процесс сварки оболочки осуществляется в сварочной машине, схема которой показана на рис. 86. Машина обеспечивает полу­чение качественного сварного соединения тонкостенных оболочек. сварка оребренных труб В теплообменных аппаратах 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 Скорость сварки 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.