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.
- электромагнитной индукции;
- полного тока.
- 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:
- Контактный. На свариваемые кромки накладываются контакты, к которым подводится ток высокой частоты.
- 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:
- 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.
- Давлением без оплавления. Свариваемые поверхности предварительно нагреваются до температуры, значение которой ниже точки плавления металла, подвергаемого процессу.
- 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.
5.13. Высокочастотная сварка
Высокочастотная сварка – это сварка, при которой сварочный процесс осуществляется с помощью нагрева электрическими токами высокой частоты соединяемых поверхностей до пластичного состояния с последующим сжатием, обеспечивающим образование соединения.
При использовании электрических токов высокой частоты наблюдается поверхностный эффект, заключающийся в том, что под действием магнитного поля, возникающего вокруг проводника, которым является свариваемый участок заготовки, значительно возрастает индуктивное сопротивление центральной части проводника, что приводит к вытеснению тока в периферийную поверхностную часть заготовки. Этот эффект особенно усиливается в области сварки, если ток в соединяемых поверхностях имеет противоположное направление (рис. 5.25). В результате в свариваемых поверхностях сосредотачиваются около 95% тепловой энергии, обусловленной током, обеспечивая высокую интенсивность нагрева этих поверхностей.
Рис. 5.25. Схема нагрева поверхности токами высокой частоты:
I – электрический ток;
Рис. 5.26. Высокочастотная сварка
продольного стыка трубы:
1 – токоподводящий контакт; 2 – трубная заготовка; 3 – обжимной валок; vсв – скорость сварки; I – электрический ток; А – точка контакта стыкуемых кромок
На рис. 5.26 показана схема высокочастотной сварки продольного стыка отформованной из ленты трубы (формовка показана на рис. 4.46). Токоподводящие контакты 1подводят ток высокой частоты к кромкам трубной заготовки2, вызывая их интенсивный нагрев, в результате которого температура в точке контакта стыкуемых кромокАдостигает около 1300С. Далее трубная заготовка попадает в обжимные валки3, которые производят окончательное обжатие с получением неразъёмного соединения. Вследствие большой интенсивности нагрева, доходящей до 1500С/с, скорость сварки может достигать десятков и даже сотен метров в минуту, намного превышая скорость контактной, шовной или дуговой сварки. При этом зона термического влияния очень мала и составляет около 0,2 мм. Высокочастотная сварка по сравнению с контактной шовной сваркой уменьшает затраты энергии в 3–4 раза.
Высокочастотной сваркой могут свариваться различные стали, в том числе высоколегированные и коррозионно-стойкие, медные и алюминиевые сплавы, а также соединения из разнородных материалов толщиной 0,8…14 мм. Полученные соединения обладают высокой механической прочностью и отличаются стабильностью качества, поскольку процесс высокочастотной сварки обычно полностью автоматизирован и может осуществляться как в обычной атмосфере, так и в защитных газах, вакууме или с применением флюсов.
5.14. Холодная сварка
Холодная сварка– это сварка путём значительной пластической деформации без нагрева свариваемых поверхностей внешними источниками тепла. Холодная сварка осуществляется при комнатной и даже пониженной температуре. Физическая сущность процесса заключается в том, что при сдавливании заготовок в месте соединения происходит совместная пластическая деформация, приводящая к разрушению окисных плёнок, которые удаляются из зоны контакта пластическим течением металла, после чего происходит прочное соединение очищенных поверхностей вследствие протекания диффузии и образования металлических связей (диффузия– это обусловленное тепловым движением взаимное проникновение частиц одного вещества в другое при их соприкосновении).
Холодной сваркой получают стыковые, точечные и шовные соединения, аналогичные рассмотренным ранее, но без подведения электрического тока и при значительно большей пластической деформации.
Рис. 5.27. Холодная точечная сварка:
а –схема процесса; б – возможные поперечные формы
рабочих выступов пуансонов:
1 – свариваемые заготовки; 2, 3 – пуансоны
Например, при холодной точечной сварке (рис. 5.27-а) заготовки1, с предварительно зачищенными и обезжиренными поверхностями в месте соединения, помещают между пуансонами2и3, имеющими рабочие выступы, высота которых составляет 0,7…0,8 толщины свариваемого металла. Затем к пуансонам прикладывают силуР, обеспечивающую полное проникновение рабочих выступов в свариваемые заготовки (т.е. до упора в заготовки расширенных ограничительных торцов пуансонов). При необходимости свариваемые точки могут иметь различную форму, определяемую соответствующей формой рабочих выступов пуансонов (рис. 5.27-б).
Рис. 5.28. Холодная контурная сварка:
1 – свариваемые заготовки; 2 – подвижный пуансон;
3 – неподвижный пуансон; 4 – центрирующий корпус
Для холодной шовной сварки используют специальные ролики, осуществляя процесс аналогично рис. 5.22-а.
Непрерывное соединение может быть также получено одновременным сдавливанием по всей длине соединяемых поверхностей. Холодной контурной сваркойназывается разновидность холодной сварки, предназначенная для получения швов, образующих замкнутый контур сравнительно небольшой длины в виде кольца, прямоугольника и т.п. (рис. 5.28). При её применении соединяемые заготовки1помещают между пуансонами2и3, центрированными с помощью корпуса4, после чего при сжатии силойРодновременно получают герметичный шов по всей длине требуемого контура.
Холодной сваркой соединяют однородные и разнородные материалы толщиной 0,2…15 мм при давлениях 150…1000 МПа. Наиболее хорошо свариваются высокопластичные сплавы меди, алюминия, цинка, никеля, золота, серебра, свинца и кадмия.
Преимуществами холодной сварки являются: 1) малый расход энергии; 2) незначительное изменение свойств металла в зоне сварного соединения; 3) высокая производительность; 4) возможность автоматизации.
Недостатками холодной сварки являются: 1) возможность сварки только материалов, обладающих высокой пластичностью при комнатной температуре (> 30%); 2) снижение несущей способности соединений из-за глубоких вмятин, оставляемых пуансонами на поверхностях изделий.