 |
15.6. Высокочастотная сварка. 15.6.1. Сущность метода и основные области применения. 15.6.2. Промышленное применение
|
|
|
|
15. 6. Высокочастотная сварка
15. 6. 1. Сущность метода и основные области применения
Высокочастотная сварка – это способ сварки давлением, при котором детали нагреваются токами высокой частоты (ТВЧ) до температуры оплавления.
В основе эффекта нагрева при высокочастотной сварке металлов лежит закон электромагнитной индукции. В массе материала, имеющего электронную проводимость (металл, графит), в переменном магнитном поле наводится электродвижущая сила (ЭДС), изменяющаяся с той же частотой, что и внешнее магнитное поле. В результате появляются индукционные токи (вихревые токи, или токи Фуко) которые и вызывают нагрев.
Ток может подводиться к свариваемым деталям двумя способами:
- при помощи проводников (кондуктора), подключающих свариваемые детали к источнику ТВЧ (кондуктивный способ подачи энергии);
- индуктированием в свариваемых деталях ТВЧ с помощью токоподводящего витка (индуктора), подключённого к источнику ТВЧ (индукционный способ подачи энергии).
Нагрев свариваемых поверхностей при высокочастотной сварке обеспечивается за счёт использования основных эффектов, связанных с прохождением ТВЧ по металлическим проводникам. К этим основным эффектам относятся поверхностный эффект и эффект близости.
Поверхностный эффект проявляется в неравномерном распределении плотности тока по сечению проводника в силу повышенного индуктивного сопротивления его центральной зоны, охватываемой полным магнитным потоком, в отличие от периферийной части, где индуцируемая ЭДС определяется только магнитным полем, расположенным вне проводника. В результате ток течёт по тонкому наружному слою. Этот эффект оценивается глубиной Δ проникновения тока – толщиной слоя, на котором плотность тока уменьшается в е раз (е ≈ 2, 72) по сравнению с плотностью тока на поверхности. Глубина проникновения тока (м) определяется выражением:
|
|
|
Δ = 
,
где ρ – удельное сопротивление материала, Ом·м;
μ 0 = 4π ·10-7 – магнитная проницаемость вакуума, Гн/м;
μ – относительная магнитная проницаемость материала;
f – частота изменения тока, Гц
Если глубина проникновения тока намного меньше радиуса проводника, то это означает сильное проявление поверхностного эффекта (таб. 15. 3).
Таблица 15. 3
Глубина проникновения тока в неферромагнитные материалы
| Материал | Температура, оС | ρ ·108, Ом·м | Глубина проникновения, мм, при частоте тока, кГц | ||||
| Сталь | 1000…1300 | 5, 57 | 2, 1 | 0, 86 | 0, 32 | 0, 2 | |
| Медь | 1, 84 | 0, 67 | 0, 26 | 0, 1 | 0, 04 | 0, 025 | |
| Алюминий | 2, 95 | 0, 96 | 0, 3 | 0, 13 | 0, 055 | 0, 032 | |
| Латунь | 1, 35 | 0, 5 | 0, 2 | 0, 07 | 0, 046 | ||
| Молибден | 5, 8 | 1, 21 | 0, 45 | 0, 183 | 0, 062 | 0, 043 | |
| Титан | 6, 65 | 2, 5 | 0, 94 | 0, 3 | 0, 2 | ||
| Серебро | 1, 65 | 0, 64 | 0, 247 | 0, 1 | 0, 029 | 0, 02 | |
Поверхностный эффект позволяет получить высокую плотность тока в поверхностных слоях, сконцентрировать в них выделение энергии и обеспечить быстрый нагрев металла.
Эффект близости заключается в перераспределении линий плотности тока, протекающих в соседних проводниках, вследствие их взаимного влияния.
Он способствует ещё большей концентрации энергии в поверхностных слоях нагреваемого металла и проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние между проводниками и выше частота тока.
Большое влияние на распределение тока в проводнике оказывает магнитопровод. Ферромагнитные массы, обладающие большим удельным сопротивлением (ферриты, электротехническое расслоенное железо) и расположенные вблизи элемента (медного проводника), по которому протекает ток, перераспределяют поток в пространстве и, как следствие, меняют индуктивное сопротивление части проводника. На различных его участках в результате этого ток распределяется неравномерно. Данный эффект усиливается с повышением частоты. Применение П-образных магнитопроводов, надетых на проводник, заставляет ток концентрироваться на внешней (противоположной дну паза) стороне проводника. Этим приёмом часто пользуются для концентрации нагрева в нужных местах и повышения эффективности нагревательного устройства.
|
|
|
Использование перечисленных электрофизических эффектов и закономерностей позволяет добиваться резко локализованного выделения теплоты при высокочастотном нагреве на соединяемых поверхностях.
15. 6. 2. Промышленное применение
Применение высокочастотной сварки связано главным образом с трубным производством, где этот процесс во многих случаях заменяет контактную и дуговую сварку. Высокочастотной сваркой изготовляют прямошовные трубы (из сталей, алюминиевых сплавов, латуни и др. ) малого и среднего диаметра (12…150 мм) при толщине стенки 0, 8…6 мм, а также большого диаметра (400…600 мм) при толщине стенки до 8 мм. Наряду основными их потребителями (машиностроение и строительные конструкции) они находят всё большее применение в нефтедобыче и газодобыче. Так, в США производство сварных труб для этих целей достигло 30% от общего выпуска.
Крупные мощности по производству обсадных и насосно-компрессорных труб введены в Японии. В ряде стран применяется высокочастотная сварка при производстве прямошовных труб большого диаметра (450…1220 мм) с толщиной стенки до 16 мм из листов длиной 12 м.
Высокочастотная сварка получила распространение для изготовления биметаллических полос толщиной до 14 мм и металлических оболочек электрических кабелей.
|
|
|
