Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

ана зовнішніх боках провідників спрямовані зустрічно і послабляються. Таким чином, напруженість магнітного поля між провідниками збільшується, а зовні провідників – зменшується. Індуктовані струми, які взаємно наводять провідники, на внутрішніх сторонах підсилюють струм від джерела. На ділянках із найбільшою напруженістю магнітного поля (магнітний потік проходить не тільки по повітрю, але й по тілу шин) існує найбільша густина струму. Тому густина струму на внутрішніх, звернених одна до одної поверхнях, більша, ніж на зовнішніх. При яскраво вираженому поверхневому ефекті струм проходить по внутрішніх сторонах шин. Аналогічний розподіл струмів у шинах існує, якщо по одній шині протікає струм від джерела електроенергії,

апо іншій – індуктований струм.

Увипадку однакового напрямку струмів у шинах (рис.2.50,б) напруженість магнітного поля між шинами зменшується, а поза шинами збільшується. Густина струму на внутрішній стороні шини буде меншою, ніж на зовнішній. При яскраво вираженому поверхневому ефекті в цьому випадку струм практично буде проходити по тонкому шару із зовнішньої сторони кожної шини.

Рис.2.50. Ефект близькості в паралельних провідниках і вплив магнітопроводу на розподіл струму в провіднику:

а – протилежно спрямовані струми в плоских шинах; б – однаково спрямовані струми в плоских шинах; в – протилежно спрямовані струми в коаксіальних провідниках; г – провідник із магнітопроводом

203

Описане явище нерівномірного розподілу струму по периметру перерізу провідників називають ефектом близькості. Ефект близько-

сті сприяє ще більшій концентрації енергії в поверхневих шарах металу, який нагрівається. Він проявляється тим сильніше, чим меншою є відстань між провідниками і вищою частота струму.

На рис.2.50,в показано випадок протікання струмів зустрічного напрямку по коаксіально розташованим циліндру і трубі. У цьому випадку струм проходить по зовнішній поверхні циліндра і внутрішній поверхні труби. Ефект близькості не змінює активного опору провідників.

На розподіл струму в провіднику сильно впливає наявність магнітопроводу. Помістимо мідний провідник прямокутного перерізу зі змінним струмом у паз магнітопроводу з пластин заліза або фериту. У цьому випадку провідник із трьох сторін оточений феромагнітним матеріалом із великим питомим електричним опором (рис.2.50,г). Магнітна проникність заліза набагато вища, ніж міді або повітря. Тому нижче дна паза весь магнітний потік буде проходити в залізі. При такому розподілі магнітного потоку в нижній частині провідника, яка лежить на дні паза, буде наводитися більша електрорушійна сила (ЕРС) самоіндукції, ніж у верхній, де напруженість магнітного поля менша. У результаті сумарна густина струму у верхній частині провідника буде більшою, ніж у нижній. Ця нерівномірність зростає зі збільшенням глибини паза і частоти струму, який проходить по провіднику. З достатньою для практики точністю можна вважати, що майже весь струм буде стягнутий до відкритої поверхні провідника. Цим прийомом користуються для концентрації теплоти в потрібних місцях і підвищення ефективності нагрівального пристрою.

Таким чином, при високочастотному нагріванні теплова енергія виділяється безпосередньо в масі металу, а наявність поверхневого ефекту та ефекту близькості, застосування магнітопроводу забезпечують концентрацію енергії в потрібних місцях виробу, його швид-

204

ке нагрівання в зоні зварювання і високу ефективність методу нагрі-

вання. Нагрівання протікає однаково як на повітрі, так і у вакуумі. Тому воно широко застосовується у вакуумних технологіях.

Для зварювання струмами високої частоти (с.в.ч.) застосовують два способи передачі енергії: контактний (кондуктивний) та індукційний.

При контактному способі на відстані 30…200 мм від місця зварювання поверхонь на них накладають контакти, до яких від високочастотного генератора підводиться струм високої частоти, звичайно радіочастоти (більше 60 кГц). Схему радіочастотного зварювання труб показано на рис.2.51.

Рис.2.51. Схема радіочастотного зварювання труб із контактним підведенням і автоконцентрацією струму в точці сходження кромок:

1 – струмопровід; 2 – механізм стискування

Внаслідок поверхневого ефекту та ефекту близькості найбільша частина струму тече вздовж поверхонь і замикається в місці їх сходження. Частина струму замикається по периметру всередині труби. Цей струм можна зменшити, розташувавши всередині трубної заготовки магнітопровід. Для підведення струму розроблено спеціальні зварювальні пристрої, в яких використовують ковзні контакти або контактні ролики. В обох випадках контактні елементи працюють у важких умовах. Тому їх виготовляють із бронзи, вольфраму або молібдену.

Індукційне нагрівання здійснюють за допомогою спеціального пристрою – індуктора. Найпростішим індуктором є виток або котушка з декількох витків, зігнутих із мідної шини або трубки (рис.2.52). Обо- в'язковим є інтенсивне охолодження індуктора водою.

При протіканні змінного струму через індуктор навколо нього виникає магнітне поле. Усередині кільця напруженість магнітного поля збільшується, і струм концентрується на внутрішній поверхні про-

205

відника. Проявляється так званий кільцевий або котушковий ефект. Якщо помістити всередині індуктора металеву деталь, то перемінний магнітний потік індуктора викличе в ній індуктований струм. Внаслідок поверхневого ефекту та ефекту близькості цей струм буде сконцентрований біля зовнішньої поверхні деталі і забезпечить її нагрівання. За допомогою індуктора нагрівання проводиться в заданій області. Чим меншим є повітряний зазор між індуктором і деталлю, тим більший коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) індуктора.

Рис.2.52. Кільцевий або котушковий ефект:

1 – деталь; 2 – індуктор

Підвищенню к.к.д. індуктора сприяє наявність магнітопроводу 4, показаного на рис.2.53,в. У конструкціях індукторів на середній частоті іноді використовують мідні екрани. Мідь належить до діамагнітних матеріалів, відносна магнітна проникність яких трохи менше одиниці. Під дією магнітного поля в екрані наводиться струм, фаза якого відрізняється від первинного струму на 180°. Тому під екраном електричне поле та нагрівання значно послаблюються.

Схему високочастотного зварювання труб з індукційним нагріванням показано на рис.2.53. Застосування нагрівання з автоконцентрацією струму (рис.2.53,в) дозволяє одержати більш високу концентрацію енергії, ніж при контактному і дуговому зварюванні. Ширина зони термічного впливу складає 0,1…0,15 мм.

206

2.4.2. Технологія зварювання. Процеси високочастотного зварювання можна розділити на три групи [20,144]: 1) зварювання плавленням (без тиску); 2) зварювання тиском з оплавленням; 3) зварювання тиском без оплавлення. Зварювання плавленням застосовується для торцевих з'єднань або з'єднань із відбортовкою при товщинах 0,3…1,5 мм. Торцеві або відбортовані кромки розплавляються за допомогою індуктора. Швидкість нагрівання 250…8000 °С/с. Обов'язковим є застосування захисного середовища.

Зварювання тиском без оплавлення звичайно також виконується із застосуванням захисту металу. Швидкість нагрівання при цьому способі не перевищує 400 °С/с, осадка складає 2,5…6,0 мм, швидкість осадки – 20 мм/с.

Найбільш широко застосовується зварювання тиском з оплавленням. Розплавлений метал видаляється із зони з'єднання при осадці. Зварне з'єднання утворюється між поверхнями, які знаходяться у твердому стані. Швидкість нагрівання досягає 150·103 °С/с, осадка складає 0,15…1,5 мм, швидкість осадки – 2000 мм/с.

Зварювання с.в.ч. широко застосовують при виробництві труб, для чого створено спеціальні стани з різними схемами нагрівання

207

(див. рис.2.51 та 2.53). Зварюють прямошовні труби малого

(10…219 мм), середнього (220…530 мм) та великого (більше 530 мм)

діаметрів.

Основними параметрами режиму зварювання тиском с.в.ч. є: температура, тиск, величина осадки, швидкість зварювання (руху заготовки). Використовуються генератори частотою 2,5…500 кГц. Частота струму узгоджується з товщиною металу. Швидкість руху трубної заготовки узгоджується з потужністю зварювального пристрою. Для зменшення потужності зварювального пристрою при індукційному нагріванні необхідно прагнути, щоб зазор між трубною заготовкою та індуктором, був якомога меншим (1,5…2,0 мм). Це підвищує коефіцієнт корисної дії індуктора.

Радіочастотне зварювання (див. рис.2.51, частота 60…500 кГц) може виконуватися в трьох режимах [20,144].

1.При підході до стискуючих валків кромки нагріваються до температури 1300…1400 °С. У точці сходження кромки нагріваються додатково, але не розплавляються. Зварювання виконується в пластичному стані при тискові 50 МПа.

2.При підході до стискуючих валків кромки нагріваються до температури, близької до температури плавлення, а в точці сходження оплавляються. При тискові 20…30 МПа рідкий метал разом з утвореними оксидами легко видаляється зі стику.

3.При підході до точки сходження кромки розплавляються, а в точці сходження метал перегрівається. При тискові 20 МПа оксиди видаляються разом із рідким металом.

При зварюванні труб із низьковуглецевих сталей можна використовувати будь-який режим, але переважає другий. При зварюванні труб із нержавіючих сталей та алюмінієвих сплавів, що утворюють тугоплавкі оксиди, застосовують третій режим.

Радіочастотне зварювання виконують із використанням контакт-

208

ного (кондуктивного) та індуктивного способів передачі енергії. Контактний підвід струму звичайно застосовують при частотах радіодіапазону (більше 60 кГц). Подовжнє зварювання труб великих діаметрів виконують тільки при кондуктивному способі нагрівання, при якому витрати енергії в 2…3 рази менші, ніж при індукційному. При зварюванні труб великих діаметрів і товщин необхідне нагрівання дуже тонкого шару, тому використовують струми частотою 440 кГц. Для труб малих діаметрів рекомендується індукційне нагрівання охоплюючим індуктором. Найменші витрати енергії при такому способі нагрівання спостерігаються при діаметрах 35…45 мм. При діаметрах труб 220…530 мм використовують індукційний спосіб нагрівання охоплюючим індуктором на частоті 440 кГц та внутрішнім індуктором на частотах 8…10 кГц. Виходячи з продуктивності процесу, частоти 8…10 кГц рекомендуються при товщинах більше 8 мм.

При кондуктивному способі нагрівання труб частота струму 440 кГц забезпечує проникнення магнітного поля на глибину 0,05…0,07 мм у сталь і 0,1 мм у мідь, а також відповідно високу концентрацію енергії та швидкість зварювання 20…100 м/хв залежно від товщини (рис.2.54,а). Для порівняння на рис.2.54,б наведено товщини, потужності і швидкості зварювання при індукційному нагріванні.

Радіочастотне зварювання з ковзними контактами використовують також для виготовлення спіральних труб великих діаметрів, труб зі спіральним ребром, труб із подовжніми ребрами тощо. Схему зварювання спіральних труб показано на рис.2.55.

Спіральні труби формують системою валків, що обертаються. Полоса розмотується з рулону, її кромки обробляють механічним різанням, створюючи скоси, як показано на рис.2.55. За допомогою валків 2 кромки труби і полоси стискуються в місці сходження під невеликим кутом. Внаслідок пластичної деформації товщина металу в зоні зварювання дорівнює товщині полоси.

209

Принципову схему зварювання котельних труб зі спіральним ребром для колектора суднового котла показано на рис.2.56.

Рис.2.54. Взаємозв'язок товщини металу h і швидкості радіочастотного зварювання v вуг-

а лецевої сталі при різних потужностях зварювального пристрою і контактному струмопідводі (а) та нержавіючої аустенітної сталі (1) і вуглецевої сталі (2) при індукційному струмопід-

воді (б)

б

При зварюванні трубі надається поступальний рух уздовж і обертальний навколо вісі труби. Під кутом до утворюючої труби подається стрічка 2, яка роликом 4 притискається до труби.

Для зварювання використовується струм частотою 440 кГц. Розігрітий у місці сходження метал труби і стрічки при стисненні зварюється. Струм підводиться за допомогою ковзних контактів, розташованих на відстані 40…50 мм від точки сходження ребра і труби.

Для стикового зварювання котельних труб застосовують машини типу МВЧТ-02, які встановлюються в лінії виробництва змійовиків і забезпечують високий рівень механізації та автоматизації всіх підго-

210

товчих і зварювальних операцій. Зварювання виконується в захисному газовому середовищі [121].

Рис.2.55. Схема радіочастотного зварювання спіральних труб:

1 – труба; 2 – стискуючі валки; 3 – нагрівальний контур із ковзним токопідводом; 4 – металева полоса

Рис.2.56. Схема радіочастотного зварювання котельних труб зі спіральним ребром:

1 – труба; 2 – стрічка ребра; 3 – ковзний струмопідвід; 4 – притискний ролик

Перспективним у суднобудуванні є високочастотне зварювання таврових і двотаврових балок. Установка для зварювання двотаврових балок висотою від 152 до 400 мм може забезпечити швидкість зварю-

вання 2700…3000 м/год [61,63].

Індукційне стискове зварювання труб виконується за схемою, по-

211

казаною на рис.2.53,а, а безперервне подовжнє зварювання труб – за схемою, показаною на рис.2.53,в. Як відзначалося в розділі 1, зварювання тиском у пластичному стані може виконуватися в широкому температурному інтервалі, однак необхідно враховувати середовище зварювання. Досліди показали, що зварювання низьковуглецевих сталей з індукційним нагріванням без використання флюсів або захисних газових середовищ можливе лише при температурах 1380…1400 °С. При температурах 1370 °С і нижче в зварних з'єднаннях з'являються включення оксидної плівки, що являє собою в'юстит, тобто закис заліза FeO. Температура плавлення FeO залежить від вмісту в ньому кисню, що знаходиться в межах 23,16…25,6 % та змінюється від 1371 до 1424 °С [20]. В'юстит у зварних з'єднаннях містить 23,3 % кисню і має температуру плавлення 1371…1375 °С. Тому стабільну якість зварних з'єднань забезпечують температури вище 1380 °С, якщо не застосовується захисне середовище.

Використання захисного середовища дозволяє знизити температуру зварювання до 1200 °С при тискові 40…50 МПа. Застосовують для захисту природний газ або рідкий флюс у вигляді 10 % розчину нітроклітчатки в метиловому спирті. Сметаноподібний розчин наносять на внутрішню поверхню труби кільцем шириною 10…15 мм. На торцеві поверхні флюс не наносять. При нагріванні флюсу утворюється газова фаза, яка містить окис вуглецю, вуглеводні і значну кількість молекулярного водню та має відновлювальний характер. Позитивна дія флюсу зберігається весь період зварювання, оскільки процес зварювання короткочасний (2…8 с).

Частота струму для індукційного нагрівання вибирається з розрахунку забезпечення глибини проникнення наведеного струму, що в 2…3 рази більше товщини стінки. Це дозволяє нагріти метал до температури зварювання за декілька секунд і навіть часток секунди.

Величина осадки при зварюванні складає 0,5…1,0 товщини стінки

212