книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

Чем ближе кромки одна к другой и чем выше частота тока, тем больше степень концентрации тока на свариваемых поверх­ ностях. Происходит автоконцентрация тока, т. е. распределение тока на кромках определяется в основном их взаимным распо­ ложением и практически не зависит от источника, вызвавшего ток в кромках, в данном случае кондуктора.

Проходя вдоль кромок электрический ток нагревает их до температуры сварки, и специальный механизм, в случае сварки труб это валки, обеспечивает сжатие торцов кромок и их де­ формацию, необходимую для образования соединения.

Как правило, процесс ведется с оплавлением кромок, и его можно отнести к разновидности стыковой сварки оплавлением.

Оптимальная частота тока зависит от толщины кромок. Чем больше толщина, тем ниже частота тока. На практике диапа­ зон допустимых частот достаточно широк, и выбор рациональ­ ных частот тока может быть сделан на основе рекомендаций, приведенных в табл. 18.4.

В отношении расхода электроэнергии контактный подвод тока является самым экономичным, но быстрый износ контак­ тов вызывает дополнительные расходы, связанные с их заменой и простоем оборудования.

Износостойкость контактов и надежность систем со сколь­ зящими контактами зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются материал контактов, усилие прижима, ус­ ловия охлаждения, величина тока.

В качестве контактных наконечников используются медные водоохлаждаемые пластины, армированные вольфрамовыми прутками, бронзовые пластины, специальные сплавы на основе меди. Существенное влияние на износостойкость контактов ока­ зывает приложенное к ним давление. Оптимальным является давление 1—2 МПа.

Удельный линейный износ контактов сечением 200—800 ммг из бронзы и меди при токах до 2 кА составляет 0,2—0,4 мм/км сваренного шва. Износостойкость контактов из специальных медных сплавов в несколько раз выше. Наиболее широкое при­

менение в СССР получили системы со скользящими контактами при сварке спиральношовных труб и профилей. Во ВНИИТВЧ и ИЭС им. Е. О. Патона разработаны технология и оборудова­ ние для ряда станов, предназначенных для сварки спирально­ шовных труб 0 150—1000 мм и толщиной стенок 0,5—4,5 мм. Приведенная мощность Рщ, на единицу толщины кромок нахо­ дится в пределах 2—4 кВт/(мм*м/мин). При сварке прямошов­ ных труб этот показатель равен 1—1,5.

Важной разновидностью непрерывной высокочастотной сварки с автоконцентрацией тока является сварка разного рода Т-образных профилей, оребренных труб и т. п. Принципиальная схема нагрева таких изделий показана в табл. 18.3. Несмотря на внешнее сходство со схемой высокочастотной сварки труб, сварка такого типа изделий имеет принципиальное отличие, вы­ текающее из различия в конфигурации нагреваемых поверхно­ стей. Если при сварке труб наблюдается полная симметрия ус­ ловий нагрева обеих кромок, то при сварке двух тел неодина­ ковой конфигурации эта симметрия нарушается. При сварке тел одинаковой формы концентрация тока и отток теплоты за счет теплопроводности на обеих свариваемых поверхностях одина­ ковы. При сварке тел неодинаковой формы это условие не со­ блюдается: во-первых, концентрация тока на плоской поверх­ ности или трубе ниже, чем на ребре; во-вторых, отток теплоты от плоской поверхности или трубы более интенсивен, чем от торца ребра. В результате температура свариваемых поверхно­ стей в точке приложения давления будет неодинакова, что либо приведет к снижению качества сварного соединения, либо сделает невозможным создание сварного соединения.

Из анализа электромагнитных и тепловых процессов, проис­ ходящих в телах несимметричной формы, следует, что для обес­ печения одинаковой температуры на свариваемых плоскостях необходимо иметь минимально возможный угол схождения ребра с плоскостью (трубой) и максимально высокие скорости нагрева (свыше 100 м/мин). Первое условие вызвано необходи­ мостью обеспечить одинаковую концентрацию тока на обеих свариваемых поверхностях за счет создания минимального за­ зора между свариваемыми изделиями и тем самым макси­ мально усилить проявление эффекта близости. Второе условие диктуется необходимостью уменьшить вредное влияние процес­ сов теплопроводности за счет сокращения времени нагрева. На практике оба условия невыполнимы и сварку изделий несим­ метричной формы удается осуществить только за счет примене­ ния специальных концентратов, представляющих собой провод­ ники, включенные в общую цепь таким образом, чтобы уменьшить интенсивность нагрева торцов ребра и уси­ лить нагрев поверхности плоскости или трубы в зоне сварного шва.

18.3. Индукционный подвод тока при непрерывной высокочастотной стыковой сварке

Индукционный подвод тока является наиболее распространен­ ным при высокочастотной сварке продольных швов труб, замк­ нутых профилей и изделий аналогичной формы. Это объясня­ ется простотой и надежностью этого метода подвода тока, что особенно важно в условиях металлургического производства.

В зависимости от диаметра свариваемых труб применяются либо охватывающие (см. рис. 1,6), либо внутренние (рис. 1,в) индукторы. Используются также индукторы комбинированного типа.

Принцип действия системы индукционного подвода тока рассмотрим на примере охватывающего индуктора. Систему «индуктор—трубная заготовка» можно упрощенно представить как трансформатор с нагрузкой, где катушка индуктора пред­ ставляет собой «первичную обмотку», а V-образная щель, обра­ зованная кромками, является нагрузкой. При прохождении тока высокой частоты по катушке индуктора в теле трубной заго­ товки (вторичной обмотке) индуктируется ток, который, встре­ чая щель, образованную кромками, замыкается через точку их соприкосновения приблизительно по линии, проходящей через ось сварочных валков. Энергия, передаваемая от индуктора к трубной заготовке, затрачивается на нагрев кромок до темпе­ ратуры сварки и на бесполезный нагрев тела трубной заго­ товки.

Чем меньше плотность тока в трубной заготовке, тем меньше потери в ней. Уменьшить плотность тока в трубной заготовке можно за счет увеличения длины катушки индуктора. Но чрез­ мерное увеличение длины катушки приводит одновременно к увеличению пути протекания тока по кромкам, времени их нагрева и снижению эффективности всего процесса.

Эффективность передачи энергии в значительной мере по­ вышается, если внутри трубной заготовки установить магнитопровод из ферромагнитного материала. Влияние его обуслов­ лено тем, что магнитопровод резко уменьшает сопротивление магнитному потоку, создаваемому индуктором внутри трубной заготовки. В результате при одном и том же токе индуктора значение сварочного тока, индуктируемого в кромках, увеличи­ вается, что, естественно, приводит к увеличению мощности, пе­ редаваемой в трубную заготовку, без увеличения потерь в ин­ дукторе.

При частотах тока радиодиапазона применяются магнитопроводы из ферритов, а на средних частотах тока — из тонко­ листовой электротехнической стали.

Как показывают исследования и результаты промышленной эксплуатации, при сварке стальных труб диаметром до 150—

200 мм энергетические затраты при индукционном и контакт­ ном подводах тока охватывающими индукторами, отличаю­ щийся большой простотой и надежностью, получил наибольшее распространение в промышленности. По мере увеличения диа­ метра и толщины стенок труб картина меняется. Увеличение толщины стенок, как это уже было показано, требует увеличе­ ния толщины зоны прогрева свариваемых кромок, что наиболее просто достигается снижением частоты тока, а увеличение диа­ метра вызывает при использовании охватывающего индуктора дополнительные потери в теле трубной заготовки. Поэтому с по­ вышением диаметра и толщины стенок труб возникают две проблемы: выбор частоты тока и выбор метода токоподвода.

Проведенные в СССР исследования показали, что для сварки труб диаметром >200 мм целесообразно применение средних частот тока (8—10 кГц). Снижение частоты тока до 8—10 кГц позволяет существенно повысить равномерность нагрева кромок по толщине, но увеличение глубины проникновения тока в ме­ талл приводит к увеличению затрат высокочастотной энергии. Увеличение расхода высокочастотной энергии частично ком­ пенсируется тем, что источники питания на средние частоты тока (10 кГц) значительно более экономичны, чем источники пи­ тания на радиочастотный диапазон токов (>60 кГц). Иссле­ дования также показали, что для сварки труб диаметром свыше 200 мм применение тока средних частот дает определенные пре­ имущества по сравнению с токами радиочастотного диапазона, главным образом, по таким показателям, как качество свар­ ного соединения и надежность оборудования.

Основная проблема, возникающая при снижении частоты сварочного тока до 8—10 кГц,— подвод тока к свариваемым кромкам. Применение контактного подвода тока, приводящего к большим трудностям даже при частотах тока 400—500 кГц, при средних частотах тока еще менее оправданно, так как в не­ сколько раз увеличивается ток в кромках. Таким образом, един­ ственно реальным методом подвода тока является индукцион­ ный. Поскольку с увеличением диаметра труб эффективность охватывающих индукторов резко снижается, наиболее эффек­ тивным оказался подвод тока с помощью внутренних индукто­ ров (см. рис. 1,в) или совмещенной системы, использующей од­ новременно как охватывающие, так и внутренние индукторы.

Основной эффект от применения внутренних индукторов свя­ зан с возможностью уменьшения потерь в теле трубной заго­ товки.

Площадь поперечного сечения внутреннего индуктора можно сделать существенно меньше площади внутреннего сечения труб­ ной заготовки, в которой он расположен. Поэтому ширина зоны протекания тока в последней увеличивается по мере удаления от катушки индуктора. Этим внутренний индуктор отличается

от охватывающего, в котором ширина зоны протекания тока по трубной заготовке одинакова по всему ее периметру.

Чем больше диаметр трубы по отношению к диаметру ка­ тушки индуктора, тем быстрее спадает настил тока в теле труб­ ной заготовки. Эффективность системы подвода тока количест­ венно оценивают при помощи коэффициента использования энергии, численно равного отношению мощности, поступающей в кромки, к мощности потерь в теле трубной заготовки.

Ниже приведены значения коэффициентов использования энергии для охватывающих и внутренних индукторов в зависи-

Как видно, коэффициент использования эн ер г и и у внутрен- них индукторов существенно выше, чем у охватывающих, и эта разница растет с увеличением диаметра труб.

Удельный расход энергии при использовании внутренних ин­ дукторов существенно ниже, чем при охватывающих. Примене­ ние совмещенной системы (внутренний индуктор совместно с ох­ ватывающим) приводит к снижению расхода энергии еще на 15—20 %. В табл. 18.5 приведены значения Аф при сварке пря­

Из данных табл. 18.5 следует, что при сварке стальных труб диаметром до 200 мм для частоты тока 440 кГц предпочти­ тельно применение охватывающих индукторов. При дальнейшем увеличении диаметра энергетические затраты выравниваются и решающее влияние на выбор системы токоподвода оказывает высокая эксплуатационная надежность индукционного токопод­ вода на средних частотах тока и высокое качество сварного со­ единения.

18.4. Одновременная стыковая сварка

Стыковая сварка основана на нагреве свариваемых стыков за счет принудительной концентрации тока. Свариваемые трубы по­ мещаются внутри цилиндрического индуктора так, чтобы стык находился под серединой индуктора (рис. 18.2). При пропуска­ нии через индуктор ТВЧ в свариваемых стыках индуктируется ток, обратный по фазе току индуктора. Вследствие эффекта близости индуктированный ток протекает по полосе, ширина которой зависит от ширины индуктора и величины зазора между трубой и индуктором. После нагрева стыков до свароч­ ной температуры к ним прикладывается сварочное давление и происходит осадка. Процесс создания сварного соединения про­ исходит без оплавления металла.

Для защиты металла от окисления применяется защитная (обычно восстановительная) среда. Характерной особенностью процесса является отсутствие грата внутри трубы. Варьируя шириной зоны нагрева, можно управлять формой шва, включая и возможность яолного предотвращения деформации металла внутри трубы. Отсутствие внутреннего грата является важным преимуществом в трубопроводах котельных агрегатов. Поэтому высокочастотная стыковая сварка нашла применение в котель­ ной промышленности.

сложного взаимодействия ряда факторов, связанных с поверх­ ностными явлениями на границе расплавленного металла и ок­ ружающей среды, электродинамическим взаимодействием жид­ кого металла и электромагнитного поля индуктора.

При нагреве в высокочастотном поле на металл сваривае­ мых кромок воздействуют электродинамические силы, завися­ щие от напряженности магнитного поля, частоты тока, электро­ физических параметров металла и конфигурации индуктирую­ щего поля. Как правило, электродинамические силы стремятся выбросить расплавленный металл из зоны сварного шва, и чем интенсивней режим сварки, тем больше влияние этих сил. Раз­ брызгиванию металла препятствуют, главным образом, силы по­ верхностного натяжения, зависящие от толщины кромок, свойств металла и окружающей среды. На расплавленный ме­ талл воздействуют также гравитационные силы. Необходимым условием для сохранения расплавленного металла в зоне шва является равновесие всех сил, действующих на металл. При этом на кромках удерживается определенный слой расплавлен­ ного металла, высота которого в значительной степени характе­ ризует качество сварного соединения.

Одним из эффективных способов увеличения высоты рас­ плавленной ванны металла на кромках является управление си­ лами электромагнитного поля за счет выбора оптимальной кон­ фигурации индуктирующего провода. Влияние конфигурации индуктирующего провода на высоту сварочной ванны показано на рис. 18.4.

При обычной конфигурации поперечного сечения индуктора (рис. 18.5, а) максимальное значение напряженности магнит­ ного поля имеет место на оси шва и электродинамические силы поля стараются выбросить расплавленный металл. Высота сва­ рочной ванны минимальна. В случае, если индуктирующий про­ водник выполнен в виде двух ветвей (рис. 18.5,6), магнитное поле на оси сварного шва ослаблено, что частично ориентирует электродинамические силы по направлению оси шва и приво­ дит к соответствующему увеличению высоты сварного шва.

На качество сварного соединения, помимо упомянутых фак­ торов, также влияют газовая среда и степень подготовки кро­ мок. Ниже приведены технические характеристики способа вы­

Рис. 18.4. Влияние конфигурации индуктора на магнитное поле н вы­ соту сварочной ванны:

По сравнению с дуговой или газовой видами сварки, обычно применяющимися при соединении деталей по отбортованным кромкам, для высокочастотной сварки характерно:

—значительно более высокая производительность труда;

—отсутствие расхода дорогостоящих электродных и при­ садочных материалов;

—снижение требований к подготовке кромок под сварку;

—уменьшение или полное устранение вредного влияния сварочного тепла на детали с малой температурной стойкостью

(в ряде случаев, например, при сварке изоляторов, конденса­ торов, при этом резко снижается брак);

— механизация и автоматизация производства.

Применение высокочастотной сварки плавлением по отбор­ тованным кромкам ограничено максимальным значением пери­ метра свариваемых кромок 500—600 мм. Дальнейшее увеличе­ ние периметра связано с трудностью обеспечения устойчивости ванны расплавленного металла и других факторов.

Если после оплавления кромок с помощью металлических или керамических зажимов приложить к ним давление, то мак­ симальная величина периметра существенно увеличится и до­ стигнет 2,0—3,0 м. При этом продолжительность процесса со-