Тема 2.2. Сварочные диффузионные установки

Сварочные диффузионные уста­новки имеют следующие основные узлы: сварочную камеру, вакуумную систему, механизм давления, приводимый в действие гидравлическим насосом, пульт управ­ления электрооборудованием и блок контроля вакуумной системы. Величину давления контролируют манометром. Для уменьшения нагрева стенок сварочной камеры на ней имеется водяная рубашка и охлаждаемый промежуточный шток. В ка­честве источника нагрева в установках обычно исполь­зуют генератор ТВЧ.

Диффузионная сварка может быть использована для соединения неметаллических материалов.

Вопросы для проверки

1. К какому классу относится диффузионная сварка?

2. Какие основные параметры диффузионной сварки?

3. В каком состоянии осуществляется диффузионная сварка?

4. Как подготавливается поверхность соединяемых деталей перед сваркой?

5. Для чего необходим вакуум в сварочной камере?

6. От чего зависит продолжительность процесса сварки?

7. Для каких изделий целесообразно применять диффузионную сварку?

Тема 2.3. Сварка токами высокой частоты

Высокочастотный нагрев довольно широко применяется в различных областях промышленного производства, в частности сварочного, как специального метода для сварки труб, обечаек, плоских заготовок. Высокочастотный нагрев используется в диффузионном способе сварки, как один из оптимальных источников тепла. Закреплению теоретического курса предназначены вопросы для самопроверки в конце темы. Усвоению материала способствует отработка теста №6 блока текущего контроля, расположенного в конце опорного конспекта.

Особенность высокочастотного метода нагрева состоит в выделении тепловой энергии в массе нагреваемого металла и возможности значительной концентрации электромагнитной энергии токов высокой частоты в поверхностных слоях нагреваемого металла вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости. При нагреве ТВЧ металлы помещают в магнитное поле высокой частоты, созданное током, протекающим по индуктору. В металле при этом индуктируется элек­тродвижущая сила, вызывающая в нем ток. Вследствие поверхностного эффекта ток в нагреваемом изделии рас­пределяется неравномерно - наибольшая плотность тока наблюдается в поверхностных слоях изделия. В нагрева­емом ТВЧ изделии увеличение плотности тока от центра к поверхности проводника происходит по экспоненциаль­ному закону

δ_х = δе^-х/∆,

где δ_х - среднеквадратичное значение плотности тока на расстоянии х от поверхности провода; δ - среднеквад­ратичное значение плотности тока на поверхности про­водника; ∆ - глубина проникновения - расстояние от поверхности провода по направлению к его центру, на котором плотность тока убывает в (е) раз по сравнению с плотностью тока на поверхности.

Из вышеприведенного выражения следует, что при высокочастотном нагреве в поверхностных слоях можно обеспечить быстрый нагрев металла.

Кроме поверхностного эффекта, для высокочастотной сварки используют так называемый эффект близости. Сущность этого эффекта заключается в следующем: если вблизи проводника с переменным током поместить дру­гой проводник без тока или же с током имеющим проти­воположное направление, то в первом случае, вследствие электромагнитной индукции, в проводнике возникнет ЭДС и ток, направленные противоположно току в первом про­воднике. Вследствие этого магнитные потоки от обоих токов в зазоре между проводниками, направленные в одну сторону, суммируются, а на наружных сторонах проводников, направленные встречно, ослабляются. Та­ким образом, в зазоре между проводниками напряжен­ность магнитного поля увеличивается, а вне зазора, наоборот, уменьшается. Вследствие этого плотности токов и поглощение энергии в проводниках увеличиваются в тех частях поверхности, которые обращены к другому проводнику, т. е. там, где напряженность магнитного поля больше, и уменьшаются на внешних частях поверх­ности как это показано на рис. 23. Этот эффект способ­ствует еще большей концент­рации энергии в поверхност­ных слоях нагреваемого из­делия.

Рис.23. Распределение переменного тока в параллельно

расположенных шинах при противоположном направлении токов

Для контактной высоко­частотной сварки труб с ис­пользованием эффекта близо­сти разработаны технология и аппаратура (рис.24). Токоподводящие контакты скользящие и вращающиеся, подводят ток высокой частоты к кромкам сформированной трубной заготовки. Вслед­ствие поверхностного эффекта и эффекта близости ток сосредоточивается на поверхностях сходящихся кромок. Заготовка с разогретыми до необходимой темпе­ратуры кромками поступает в обжимные валки, где и происходит сварка кромок сформированной трубной заготовки. Вслед­ствие поверхностного эффекта и эффекта близости ток сосредоточивается на поверхностях сходящихся кромок.

Рис. 24. Схема высокочастотной сварки

продоль­ного стыка трубы

Шунтирующее сопротивление при высокой частоте велико и, кроме того, его можно увеличить введением во внутреннюю полость трубы ферритового сердечника, уве­личивая при этом концентрацию тока на поверхности трубы.

Вследствие использования высококонцентрированного нагрева при высокочастотной сварке протяженность зоны термического влияния и зоны шва чрезвычайно мала и составляет 0,1÷0,15 мм. В связи с этим сварной шов обладает высокими механическими и антикоррозионными свойствами, весьма близкими к свойствам основного металла. Применение высокочастотной сварки для изго­товления труб из легированной стали позволяет получить скорости сварки, во много раз превышающие скорости при дуговой сварке.

Высокочастотная сварка может быть использована для стыковой сварки труб и сплошных сечений, это позво­ляет нагревать торцы поверхностей без их контакта и оплавления.

Торцы труб зажимают в специальных зажимах с уси­лием, исключающим проскальзывание их при приложении осевого усилия (рис. 25). Стык трубы помещают в одновитковый индуктор и нагревают до сварочной тем­пературы, после чего прикладывают давление осадки.

Частоту тока, используемого для нагрева металла при стыковой сварке труб при индукционном нагреве, выби­рают из условия получения возможно более высокого КПД индуктора и возможно большей скорости нагрева.

Критерием выбора частоты тока является диаметр d трубы и толщина её стенки. Глубина проникновения ∆_{г. пр.} тока в металл, опреде­ляет зону металла с максимальной температурой, т. е. толщину свариваемого металла.

На рис. 26 представлена схема армирования твердыми сплавами зубьев буровых долот. Твердый сплав в виде порошка или брикета укладывают на армируемую грань зуба и в таком виде нагревают ТВЧ. В процессе нагрева расплавляются брикет и металл зуба, при этом зерна твердого сплава проникают в основной металл на глу­бину 2 - 3 мм. Продолжительность наплавки одного зуба составляет 10 - 27 с.

Рис. 25. Схема стыковой сварки труб:

1 - трубы; 2 — зажим; 3 - трансформатор; 4 - индуктор

Основные преимущества сварки с нагревом ТВЧ: возможна сварка труб из высокоактивных металлов аустенитных и жаропроч­ных сталей и сплавов; прочность сварных соединений не уступает прочности основного металла; обеспечиваются высокая производительность и стабильность процесса; процесс нечувствителен к состоянию поверхности металла, легко механизируется и автоматизируется.

Рис. 26. Схема наплавки твердых сплавов на зубья буровых долот:

1 - индуктор; 2 - брикет твердого сплава