Влияние частоты тока на сварку

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.

Характеристика и принципы работы высокочастотной сварки. Государственные стандарты, достоинства, применение

Высокочастотная сварка представляет собой способ контактной сварки, нагревание металла при котором происходит с применением переменного тока частоты 10 кГц и более. Подача энергии происходит через механические контакты или способом наведения в детали.

Общая информация

Способ включает использование законов и явлений физики.

• эффекта близости;
• возникновения электромагнитных сил;
• поверхностного эффекта;
• влияния на распределение тока в проводнике медных экранов и магнитопроводов;
• катушечного или кольцевого эффекта;
• изменения свойств металлов при изменении напряженности магнитного поля и температуры.

При высокочастотном нагревании основная роль отводится явлению поверхностного эффекта и эффекта близости.

Поверхностный эффект

Заключается в неравномерности распространения переменного тока по профилю проводника (глубина проникновения тока). У внешней поверхности плотность тока наибольшая и постепенно уменьшается по мере удаления вглубь. В центре тела она минимальна.

Благодаря поверхностному эффекту, в наружных слоях происходит концентрирование выделения энергии и быстрый нагрев металла. Эффект близости также способствует этому проявлению.

Эффект близости

Заявляет о себе путем прохождения в системе проводников переменного тока. На каждый из проводников при этом распространяется влияние как собственного переменного магнитного поля, так и поля других проводников.

Чем меньше расстояние, отделяющее проводники друг от друга, и выше частота тока, тем сильнее эффект близости.

Это явление способствует усилению концентрации энергии во внешнем слое металла, подвергаемому нагреву. Таким образом, выделение тепловой энергии происходит непосредственно в толще металла, обеспечивая быстрый нагрев в сварочной зоне и высокую эффективность способа нагрева.

Виды и группы

Высокочастотная сварка в зависимости от способа передачи энергии кромкам классифицируется на виды:

1. Контактный. На свариваемые кромки накладываются контакты, к которым подводится ток высокой частоты.
2. Индукционный. Нагревание происходит с помощью индуктора, при протекании через который переменного тока возникает магнитное поле. При помещении металлической детали в середину индуктора переменным магнитным потоком будет вызван индукционный ток, и выполнено нагревание в заданной зоне.

Процессы сварки ТВЧ подразделяются на 3 группы:

1. Давлением с оплавлением. Механизм заключается в предварительном нагреве соединяемых поверхностей и их местного расплавления. Расплавленный материал удаляется из сварочной зоны при осадке. Шов образуется между деталями в твердом состоянии.
2. Давлением без оплавления. Свариваемые поверхности предварительно нагреваются до температуры, значение которой ниже точки плавления металла, подвергаемого процессу.
3. Плавлением без давления. Нагрев элементов осуществляется до оплавления. Сварная ванна металла застывает, шов образуется без приложения давления.

ГОСТы

Информация, относящаяся к высокочастотной сварке, изложена в ГОСТах, которые необходимо выполнять.

ГОСТ Р ИСО 857-1-2009 содержит:

• формулировку термина «высокочастотная сварка»;
• информацию о принадлежности метода по виду энергоносителя к классу «Электрический ток».

• процессы сварки: ГОСТ Р ИСО 4063-2010 – список общепринятых сокращений высокочастотной сварки.

Принцип работы

Соединяемые заготовки изделия установлены под небольшим углом с образованием щели между соединяемыми кромками. Ток высокой частоты к кромкам подводится одним из способов – индуктором или через скользящие контакты и проходит от одной кромки к другой через зону их схождения. Высокая концентрация энергии в этой зоне достигается в результате действия проявлений поверхностного эффекта и близости.

При соприкосновении кромок в рабочей зоне происходит интенсивный нагрев металла и его расплавление. В результате сдавливания обжимными роликами металл осаживается, образуется прочное соединение.

Процесс высокочастотной сварки труб

Положительные качества

• возможность бесконтактного нагрева заготовки;
• высокая степень локализации энергии;
• широкая возможность изменения параметров сварки;
• отсутствие ограничений по скорости процесса;
• невысокая энергоемкость работ.

Где применяется

Метод эффективен при непрерывном процессе массового изготовления изделий простой конфигурации.

Высокочастотная сварка находит применение в производстве:

• прямошовных и спиральношовных труб из цветных и черных металлов;
• тавровых и двутавровых балок в судостроении;
• оболочек электрических кабелей.

Способ используют при изготовлении профилей, приварке ребер.

Материалы

Современные установки аргонодуговой сварки методом TIG выпускаются для сварки на постоянном токе DC (модели Гудвилл™ TIG-315 Digital, Гудвилл™ TIG-400 Digital, Гудвилл™ TIG-500 Digital) или универсальные установки для сварки на переменном или постоянном токе AC/DC (модели Гудвилл™ TIG-315P AC/DC, Гудвилл™ TIG-500P AC/DC). Выбор той или иной установки обусловлен технологическим процессом и видом свариваемых на предприятии металлов.

Постоянный ток при TIG сварке применяется для сварки различных металлов, преимущественно нержавеющих сталей. Этот тип тока наиболее широко используется для аргонодуговой сварки. Во время сварки величина тока всегда поддерживается на одном и том же уровне, за исключением начала и конца шва, когда установка поддерживает режим нарастания сварочного тока и режим спада сварочного тока.

Переменный сварочный ток в установках аргонодуговой сварки необходим для TIG сварки алюминия, сплавов на основе алюминия и других металлов, содержащих на поверхности жаропрочные оксиды. При аргонодуговой сварке переменным током, происходит чередование между положительной и отрицательной полярностью сварочного тока.

Процесс аргонодуговой сварки может быть с использованием различных способов подключения: прямая полярность (электрод подключен к отрицательному полюсу, а деталь – к положительному), обратная полярность (электрод подключен к положительному полюсу) и чередование прямой и обратной полярности (переменный ток). Прямая полярность используется наиболее широко и характеризуется ограниченным износом электрода, а также узкой и глубокой сварочной ванной. Она обеспечивает высокую скорость сварки и применяется для большинства металлов. Сварка с обратной полярностью позволяет работать с материалами, которые, как правило, покрыты слоем жаростойкого оксида, например, алюминий, магний или их сплавы. Здесь не могут применяться высокие значения сварочного тока, поскольку при этом типе полярности возникает значительный перегрев электрода.

В режиме аргонодуговой сварки на постоянном токе процесс сварки происходит следующим образом: при нажатии на кнопку горелки происходит предварительная продувка защитным газом (0,1 – 15 сек), подача защитного газа создает среду, позволяющую исключить окисление основного металла при начале сварки; далее включается осциллятор и зажигается дуга, зажигание дуги происходит на начальном стартовом токе; сварочный начальный ток постепенно переходит в течение заданного времени (0,2 – 10 сек) в базовый сварочный ток; при отпускании кнопки горелки сварочный ток постепенно спадает в течение установленного времени (0,1 – 15 сек) до установленного значения тока окончания сварки, это позволяет произвести заварку кратера, сварочная дуга гаснет, а защитный газ продолжает поступать в течение установленного времени (0,1 – 60 сек), что позволяет исключить окисление металла сварочной ванны, находящегося на стадии кристаллизации.

В данном режиме сварки наиболее часто применяют прямую полярность, когда горелка и ее кабель подсоединяются к отрицательному полюсу, а свариваемый материал к положительному полюсу источника питания; в этом случае электроны текут от электрода к детали, вызывая плавку. Это обеспечивает хорошую свариваемость почти всех видов металлов, поддающихся сварке, и сплавов, за исключением алюминия. Постоянный ток с прямой полярностью создает узкую глубокую сварочную ванну, а также обеспечивает лучшее проникновение, чем в случае с обратной полярностью.

При аргонодуговой сварке на переменном токе происходит чередование между прямой и обратной полярностью сварочного тока в цикле. Это процесс идеален для сварки алюминия и других материалов, содержащих на поверхности жаростойкие оксиды. Прямая полярность используется для формирования сварочной ванны, тогда как обратная полярность служит для разрушения оксидной пленки и «чистки» свариваемых поверхностей. Баланс переменного тока позволяет перераспределить в цикле прямую и обратную полярность: увеличивая амплитуду обратной полярности (преобладание на электроде « + »), создаем очищающий эффект; увеличивая амплитуду прямой полярность (преобладание на электроде « – »), создаем проплавление металла, соответственно изменяем значение баланса переменного тока в диапазоне от + 30 до – 50%. На Рисунке 13 представлен график переменного тока. Преобладающая положительная составляющая предпочтительнее для сильно окисленного алюминия, а с преобладающей отрицательной составляющей – только для слегка окисленного алюминия. Регулируемый баланс позволяет добиться необходимой очищающей способности, в зависимости от степени окисления основного металла, и идеально подходит для получения качественных сварных швов, особенно при проведении операций технического обслуживания на загрязненных материалах.

Соотношение полярности в цикле позволяет изменять время нахождения неплавящегося электрода в прямой и обратной полярности за период. При увеличении времени нахождения на электроде прямой полярности (отрицательный потенциал « – »), обеспечивается заданная глубина проплавления металла. При увеличении времени нахождения на электроде в обратной полярности, усиливается очищающий эффект, лучше удаляются оксидные пленки. Управление данным параметром показано на рисунке.

Рис. Управление соотношением полярности в цикле

Аргонодуговая сварка на переменном токе предназначена для сварки алюминия и его сплавов, что обусловлено наличием у металла тугоплавкой и трудноудаляемой оксидной пленки. В данном режиме сварки применяют прямую полярность, когда горелка и ее кабель подсоединяются к отрицательному полюсу.

В установках аргонодуговой сварки частота переменного тока может изменяться в диапазоне от 20 Гц до 200 Гц. Повышение частоты тока приводит к увеличению концентрации дуги, увеличению эффекта балансировки импульса и сужению сварного шва. Таким образом, повышенная частота тока идеально подходит для сварки тонколистовых материалов и прецизионной сварки, а также способствует увеличению объема выпуска продукции при массовом производстве.

При сварке импульсной сварочной дугой, сварочный ток автоматически изменяется от одной установленной величины до другой (пиковый и базовый ток) с заданным значением частоты от 0,2 до 20Гц. Ток сварки имеет прямоугольную форму, поэтому фронты переключения очень быстрые. Эта форма импульса чрезвычайно эффективна для получения удлиненной дуги и для лучшего распада кислорода на загрязненных и окисленных материалах, а также для проведения обслуживания и ремонтов. В этом случае могут применяться электроды меньших размеров, а мощность установки аргонодуговой сварки может быть использована с большей эффективностью. Поскольку скорость сварки на прямоугольных импульсах тока выше, чем на импульсах другой формы, то она идеально подходит для производства.

При сварке пульсирующей дугой получается сварочный шов, состоящий из непрерывного наложения точечных сварок, которые последовательно образуют единый шов. На детали выделяется меньше тепла, площадь термического воздействия имеет меньшие размеры, и деталь меньше подвержена деформациям, вызванным ее перегревом. Этот метод типичен для сварки тонких материалов, когда необходимо контролировать количество тепла для предотвращения перфорации детали без уменьшения проницаемости сварки. Это помогает управлять процессом сварки и получать более однородные и точные сварочные швы с привлекательным внешним видом.

Рис. 1. Импульсный постоянный ток.

На Рисунке 1 представлен график постоянного импульсного тока, где:

I1 – начальный стартовый ток; I2 – ток окончания сварки;

Т1 – время нарастания сварочного тока;

T2 – время спада сварочного тока;

IБ – базовый сварочный ток в импульсном режиме

IП – пиковый сварочный ток в импульсном режиме;

tИ – время протекания тока импульса;

tП – время протекания тока паузы;

TП – время периода.

Время периода – это сумма времени протекания тока импульса и времени протекания тока паузы.

Коэффициент заполнения импульса – это отношение времени импульса ( tИ ) к периоду импульса ( tИ + tП).

Частота импульсов – это количество периодов за одну секунду.

Рис.2. Импульсный переменный ток.

На Рисунке 2 представлен график переменного импульсного тока, где:

t1 − время протекания тока импульса;

t2 − время протекания тока паузы;

А1 − амплитуда тока положительной полярности во время паузы;

А2 − амплитуда тока отрицательной полярности во время паузы;

А3 − амплитуда тока положительной полярности во время импульса;

А4 − амплитуда тока отрицательной полярности во время импульса.

Рис.3. Импульсный ток при изменении коэффициента заполнения импульса.

На Рисунке 3 представлены графики импульсного тока при различных установленных значениях коэффициентах заполнения импульса.

Исходя из вышесказанного, управляя формой тока, можно достичь идеального сварочного шва, соответствующего самым высоким требованиям.

Источники:

http://bstudy.net/686399/tehnika/svarka_tokami_vysokoy_chastoty
http://elsvarkin.ru/texnologiya/vidy/vysokochastotnay-svarka/
http://www.goodwill-ru.com/index.php?option=com_content&view=article&id=84:postoyannyj-i-peremennyj-tok-pri-tig-svarke&catid=50&Itemid=180