2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Методом высокочастотной сварки труб

Индукционный нагрев ТВЧ :: Статьи

Виды сварки — вибрационная, высокочастотная, взрывная.

Дальнейшее развитие и совершенствование методов сварки и резки связано с внедрением и расширением сферы применения новых видов обработки — плазменной, электронной, лазерной, с разработкой совершенных технологических приёмов и улучшением конструкции оборудования. Возможно значительное расширение использования сварки и резки для подводных работ и в космосе. Направление прогресса в области сварочной техники характеризуется дальнейшей механизацией и автоматизацией основных сварочных работ и всех вспомогательных работ, предшествующих сварке и следующих за ней (применение манипуляторов, кантователей, роботов). Актуальной является проблема улучшения контроля качества сварки, в том числе применение аппаратов с обратной связью, способных регулировать в автоматическом режиме работу сварочных автоматов.

Вибрационная (вибродуговая) наплавка , наплавка поверхностей вибрирующим плавящимся электродом (например, стальной проволокой); является разновидностью процесса сварки. Конец электрода касается поверхности изделия, производя короткое замыкание сварочной цепи. При отходе электрода от поверхности на 1,5—3 мм сварочная цепь разрывается — возникает вспышка — электрическая дуга. Этот процесс периодически повторяется с частотой около. 100 Гц. Зона наплавки непрерывно поливается водными растворами солей, глицерина и др., иногда засыпается зернистым флюсом. Вибрационную (вибродуговую) наплавку применяют главным образом при ремонте: для наплавки осей, валов, лопастей гидротурбин и др. стальных деталей, а также для изготовления двухслойных изделий (наплавка цветных металлов и сплавов на сталь, чугун и др. металлы). Качество наплавленного металла невысокое, однако он обладает значительной твёрдостью и износоустойчивостью без термообработки.

Высокочастотная сварка , способ сварки, при котором металлы нагреваются токами высокой частоты. Соединяемые части (детали) располагаются под небольшим углом и соприкасаются в зоне сварки, где металл интенсивно нагревается до расплавления, сдавливается обжимными роликами и осаживается, образуя прочное сварное соединение. Различают Высокочастотная сварка индукционную и контактную. При индукционном нагреве ток в месте сварки (рис. 1) наводится индуктором, а при контактном способе (рис. 2) ток подводится контактами. Высокочастотная сварка широко применяется в производстве сварных труб. Труба непрерывно движется, для повышения интенсивности нагрева в заготовку трубы вводится ферритный магнитный сердечник. Для сварки труб малого диаметра (до 76 мм) используют ток ламповых генераторов с частотой 440 кГц, для труб больших диаметров (до 426 мм) — ток от машинных генераторов с частотой 8 кГц. Скорость сварки 30—50 м/мин.

Рис. 1. Схема высокочастотной сварки труб индукционным способом:

1 — труба; 2 — индуктор; 3 — сердечник; 4 — обжимные ролики.

Рис. 2. Схема сварки труб контактным способом:

1 — труба; 2 — скользящие контакты; 3 — сердечник; 4 — обжимные ролики.

Взрывная сварка , сварка взрывом, способ сварки, основанный на использовании энергии взрыва. Привариваемая (метаемая) деталь располагается под углом (см. рис.) к неподвижной детали (мишени). При соударении деталей от взрыва образуется кумулятивная струя металла, распространяющаяся по поверхности деталей, вследствие чего происходит совместная пластическая деформация обеих деталей и они свариваются. Взрывчатое вещество, чаще всего применяемое для Взрывная сварка, — аммонит, массу которого берут равной массе метаемой детали. Способом взрывная сварка соединяют разные по массе (от нескольких г до нескольких т) детали из разнородных металлов, в том числе нержавеющих сталей, цветных металлов, тугоплавких сплавов и др.

Схема взрывной сварки:

1 — неподвижная деталь (мишень); 2 — подвижная (метаемая) деталь; 3 — опорная плита; 4 — заряд; 5 — детонатор

Диффузионная сварка , способ сварки без расплавления основного металла за счёт нагрева и сдавливания соединяемых деталей. В месте сварки деталей происходит диффузия одного металла в другой. Детали с тщательно зачищенными и пригнанными поверхностями помещают в закрытую сварочную камеру с разрежением до

0,01—0,001 Н/м2, т. е. до 10-5 мм рт. ст. Детали сдавливают небольшим постоянным усилием, для повышения пластичности и ускорения диффузии нагревают до 600—800°С. Через несколько минут после окончания сварки детали охлаждаются, и их выгружают из камеры. При нагреве в вакуумной камере происходит интенсивная очистка поверхностей от органических загрязнений и окислов. Диффузионная сварка позволяет получать сварные швы высокого качества без внутренних напряжений и без перегрева металла в околошовной зоне. Этим способом можно соединять детали из одинаковых твёрдых и хрупких или разнородных материалов: из стали, твёрдых сплавов, титана, меди, никеля и их сплавов и т.д. Возможна сварка деталей из некоторых неметаллических материалов, например двух керамических или керамической с металлической. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной промышленности, машиностроении, при производстве металлорежущего инструмента, штампов и др. Применение диффузионной сварки ограничивается необходимостью иметь сложную и дорогую аппаратуру. Производительность диффузионной сварки не очень высока из-за наличия таких операций, как вакуумирование камеры, нагрев деталей, выдержка для проведения диффузии.

Конденсаторная сварка , способ сварки, при котором для нагрева соединяемых изделий используют кратковременный мощный импульс тока, получаемый от батарей статических конденсаторов. Известно несколько разновидностей конденсаторной сварки: сопротивлением (точечная, шовная, стыковая), ударная (стыковая) и др. Конденсаторная сварка особенно эффективна при соединении мелких деталей и металлических листов небольшой толщины, например при изготовлении деталей для электронных ламп, малогабаритных приборов и аппаратов, металлических игрушек, предметов галантереи и пр.

Термитная сварка , способ сварки, при котором для нагрева металла используется термит, состоящий из порошкообразной смеси металлического алюминия или магния и железной окалины. При использовании термита на основе алюминия соединяемые детали заформовывают огнеупорным материалом, подогревают, место сварки заливают расплавленным термитом, который предварительно зажигают (электродугой или запалом). Жидкое железо, сплавляясь с основным металлом, даёт прочное соединение. Сварка термитом на основе алюминия применяется для соединения стальных и чугунных деталей — стыковки рельсов, труб, заварки трещин, наплавки поверхностей при ремонте. Термит на основе магния используется в основном для соединения телефонных, телеграфных проводов и жил кабелей. Из термитной смеси изготовляют цилиндрические шашки с осевым каналом для провода и выемкой с торца для запала. Подлежащие сварке концы проводов заводят в шашку, после чего шашку зажигают и провода осаживают. Термит на основе магния может быть использован также для сварки труб небольших диаметров.

Читать еще:  Фундамент своими руками старого деревянного дома

Электролитическая сварка , производится при нагреве соединяемых частей постоянным электрическим током напряжением 110—220 В в водном щелочном электролите. Свариваемые части, погруженные в ванну с электролитом, образуют катод, анодом служит металлическая пластина. Электролитическая сварка ещё несовершенна и применяется редко, в основном для сварки мелких деталей, проволок и т. п. из различных металлов.

Сварка пластмасс , процесс неразъёмного соединения термопластов и реактопластов, в результате которого исчезает граница раздела между соединяемыми деталями. Сварку термопластов производят с использованием тепла посторонних источников нагрева (газовых теплоносителей, нагретого присадочного материала, нагретого инструмента) или с генерированием тепла внутри пластмассы при преобразовании различных видов энергии (сварка трением, токами ВЧ, ультразвуком, инфракрасным излучением и др.). Соединение реактопластов осуществляют способом, основанным на химическом взаимодействии между поверхностями непосредственно или с участием присадочного материала. Осуществление этого способа требует интенсивного прогрева поверхностей и интенсификации колебаний звеньев молекул полимера токами ВЧ или ультразвуком. Сварка пластмасс, например плёночных и листовых материалов, внедряется в различных областях промышленности и строительства.

Сварка в космосе , отличается необычными сложными условиями: вакуум до 10-10 Н/м2 (10-12 мм рт. ст.) большая скорость диффузии газов, невесомость и широкий интервал температур (от — 150 до 130 °С). Вследствие высокого вакуума и относительно высокой температуры в космических условиях иногда происходит самопроизвольная диффузионная сварка (схватывание) плотно сжатых деталей. При конструировании космических аппаратов предусматривают различные защитные меры, предотвращающие это явление. В космических условиях сварка может применяться при сборке и монтаже крупных космических кораблей и орбитальных станций, ремонте оборудования и аппаратуры космических аппаратов, а также для изготовления материалов и изделий с особыми свойствами, которые не могут быть получены на Земле. Металлы, свариваемые в условиях космического пространства, — алюминий, титановые сплавы, нержавеющие и жаропрочные стали. Условия космического пространства чрезвычайно благоприятны для следующих видов сварки: диффузионной, холодной, электроннолучевой, контактной и гелиосварки. Выполнение же дуговой и плазменной сварки, особенно при большом объёме сварочной ванны, хотя и перспективно, но в ряде случаев технически значительно затруднено из-за невесомости, когда изменяются условия разделения жидкой, твёрдой и газообразной фаз, что может привести к появлению пористости в швах, увеличению неметаллических включений и т. п. Большой градиент температуры в ряде случаев вызывает появление трещин. Преодоление неблагоприятных воздействий космической среды требует разработки специальных приёмов сварки и оборудования, которое должно отличаться высокой надёжностью и безопасностью, иметь небольшую массу, обладать низкой энергоёмкостью, а также быть простым в эксплуатации. Особенно пригодны автоматические и полуавтоматические сварочные установки. Впервые в мире С. в к. была осуществлена 16 октября 1969 лётчиками-космонавтами космического корабля «Союз-6» В. Н. Кубасовым и Г. С. Шониным на автоматической установке «Вулкан», сконструированной в институте электросварки им. Е. О. Патона.

5.5. 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).

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.

Читать еще:  Барельеф на потолке своими руками фото

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

Глубина проникания тока для сталей, мм

Частота тока, кГц

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]

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.

Читать еще:  Шторы на скошенное окно своими руками

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.

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.

Сварка токами высокой частоты

Высокочастотная сварка (индукционная, радиочастотная) — это способ сварки давлением, при котором кромки деталей нагреваются током высокой частоты до температуры оплавления. Плотность тока высокой частоты, протекающего по металлическому телу, максимальна на поверхности тела и резко уменьшается по мере удаления в глубь тела. Это явление называют поверхностным эффектом. Кроме того, токи высокой частоты, протекающие в двух параллельных проводниках в противоположных фазах, стремятся сблизиться. Это явление называют эффектом близости.

Нагрев деталей при высокочастотной сварке проводят с помощью индуктора, располагаемого у свариваемого стыка и генерирующего в свариваемых кромках индукционные токи, или с помощью двух скользящих по поверхности детали электродов. В обоих случаях эффект близости и поверхностный эффект позволяют обеспечить нагрев только в поверхностных слоях соединяемых кромок глубиной 0,1—0,15 мм. Это уменьшает расход энергии и повышает качество сварного соединения, так как можно избежать перегрева металла вблизи шва.

При сварке токами высокой частоты (ТВЧ) изделие перед сварочным узлом формируется в виде заготовки с У-образной щелью между свариваемыми кромками. К кромкам с помощью индуктора (рис. 1.39, а) или вращающегося контактного ролика (рис. 1.39,6) подводится ток высокой частоты таким образом, чтобы он проходил от одной кромки к другой через место их схождения.

Процессы высокочастотной сварки можно подразделить на три группы: сварка давлением с оплавлением, сварка давлением без оплавления и сварка плавлением без давления.

Рис. 1.39. Схема высокочастотной сварки труб индукционным (а) и контактным (б) способами подвода тока:

  • 1, 11 — направляющие ролики; 2,8 — ферритовые стержни; 3 — индуктор;
  • 4,7 сжимающие ролики; 5, 6— трубы; 9,10— контакты

Сварка давлением с оплавлением осуществляется с предварительным нагревом и местным расплавлением свариваемых поверхностей. Для получения качественного сварного соединения необходимо, чтобы весь оплавленный металл, имеющийся в месте схождения свариваемых элементов, был удален при осадке. Этот процесс реализуется в том случае, если скорость осадки будет достаточной и расплавленный металл не потеряет свойства жидко- текучести. Сварное соединение образуется между поверхностями, находящимися в твердом состоянии. Скорость нагрева достигает 15 • 10 4 °С/с, осадка составляет 0,15—1,5 мм, скорость осадки 2000 мм/с. Этот способ нашел наиболее широкое применение при производстве сварных конструкций из черных и цветных металлов. Расстояние от места токоподвода до места схождения кромок обычно лежит в пределах от 25 до 300 мм. На этом отрезке осуществляется нагрев свариваемых заготовок.

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 мм, скорость осадки 20 мм/с. Сварка при отсутствии восстановительной среды может обеспечивать удовлетворительное качество соединения только в узком интервале температур и при деформациях, достаточных для разрушения оксидных пленок на свариваемых поверхностях.

Сварка плавлением без давления осуществляется при нагреве свариваемых элементов до оплавления. Изделия, подлежащее сварке, плотно подгоняют одно к другому отбортованными кромками, которые разогреваются и оплавляются с помощью индуктора. Ванна расплавленного металла застывает, образуя, сварной шов без приложения давления. Скорость нагрева 250—3000 °С /с, частота тока источника питания 70 и 440 кГц. Этот процесс целесообразно применять для деталей с толщиной стенки 0,3— 1,5 мм и максимальной длиной сварного шва до 500 мм. Характерным для процессов сварки ТВЧ является ярко выраженная локальность нагрева в сочетании с высокими скоростями сварки.

Высокочастотной сваркой изготовляют прямошовные трубы из неочищенной горячекатанной малоуглеродистой стали. Применение радиочастоты (более 400 кГц) позволяет сваривать продольные швы труб из алюминия, жаропрочных сплавов, легко окисляющихся металлов.

Источники:

http://elisit.ru/materiali/?pid=68
http://ozlib.com/882693/tehnika/vysokochastotnaya_svarka
http://bstudy.net/686399/tehnika/svarka_tokami_vysokoy_chastoty

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector