ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВАРКИ из "Высокочастотная сварка металлов " Впервые идея применения токов высокой частоты (т. в. ч.) для сварки металлов была предложена в 1946 г. советскими специалистами во главе с А. В. Улитовским В 50-е годы в Советском Союзе и за рубежом начались интенсивные исследования по созданию технологии и оборудования для высокочастотной сварки труб, а несколько позже и для оболочек кабеля и профилей, Был создан способ промышленного применения высокочастотной сварки, при котором изделие перед сварочным узлом формуется в виде заготовки с У-образной щелью между свариваемыми кромками. К кромкам посредством скользящих контактов или индуктором подводится т. в. ч. таким образом, чтобы он проходил от одной кромки к другой через место их схождения. Вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, который по мере сближения кромок усиливается, достигается высокая концентрация тока в месте схождения кромок. [c.4] Благоприятное распределение тока, высокая степень концентрации мощности обеспечивают возможность ведения процесса с оплавлением тонкого слоя на поверхности свариваемых кромок и получение прочного качественного сварного соединения. Нагретые кромки изделия обжимаются с помощью валков и свариваются. Качество сварного соединения и расход электроэнергии тесным образом связаны с особенностями протекания т. в. ч. по проводникам. [c.4] Высокочастотная сварка металлов основана на использовании законов электромагнитной индукции и полного тока, а также следующих явлений поверхностного эффекта, эффекта близости, кольцевого или катушечного эффекта, влияния магнйтопроводов и медных экранов на распределение тока в проводнике, изменения свойств металлов при изменении температуры и напряженности магнитного поля, возникновения электромагнитных сил [4, 6, 21, 22, 35. 39]. [c.4] Эти законы и явления необходимо учитывать при выборе параметров процесса и конструировании устройств для передачи сварочного тока к изделиям. [c.4] Направление э. д. с. определяется правилом правоходового винта. Если закручивать винт так, что его острие двигается по направлению магнитных сил при возрастании потока, то положительное направление для наведенной э. д. с. совпадает с направлением вращения головки этого винта. В действительности наведенная э.д. с, в этот момент имеет отрицательное направление, поэтому в формуле (1) поставлен знак минус. [c.5] Формула (1) справедлива и для воображаемого контура (не образованного проводником), представляющего собой геометрическое понятие. Этот контур может лежать в проводнике или диэлектрике или частично в проводнике, а частично в диэлектрике. Если контур образован проводником и имеет витков, то в формуле (1) значение потока Ф должно быть заменено потокосцепле-нием равным алгебраической хумме потоков, пронизывающих каждый из витков. Если все витки пронизываются одинаковым потоком, то = Ф. [c.5] Полное или результирующее потокосцепление, пронизывающее контур, создается не только внешним по отношению к данному контуру полем, но и собственным потоком, возникающим при протекании по нему электрического тока. При изменении тока в контуре в нем возникает э. д. с. самоиндукции, которая прямо пропорциональна скорости его изменения = - 1 di dt), где Ь — коэффициент самоиндукции (индуктивность), зависящий от геометрических размеров контура и числа витков. [c.5] При вычислении правой части уравнения (2) необходимо учитывать токи проводимости, переноса и смещения, т. е. определять полный ток через поверхность, ограниченную контуром. [c.5] Поверхностный эффект. Глубина проникновения тока. Поверхностный эффект проявляется в неравномерном распределении переменного тока по сечению проводника. Наибольшая плотность тока наблюдается у наружной поверхности проводника. По мере удаления от наружной поверхности плотность тока плавно уменьшается. Чем выше частота, тем быстрее снижается плотность тока. При весьма высокой частоте ток проходит лишь по тонкому поверхностному слою проводника. Поверхностный эффект существенно увеличивает активное сопротивление проводников, что значительно усложняет передачу переменного тока. Однако поверхностный эффект позволяет сконцентрировать выделение энергии в поверхностных слоях нагреваемого изделия, что важно при осуществлении процессов закалки, высокочастотной сварки и т. д. [c.6] Таким образом, по мере проникновения плоской электромагнитной волны в проводящую среду модули амплитуд Н , и bfn уменьшаются по экспоненциальному закону. Во всех точках среды, в том числе и на ее поверхности, напряженность электрического поля опережает по фазе напряженность магнитного поля на угол л/4. Кроме того, начальная фаза колебаний Я, и O изменяется пропорционально х. По мере проникновения волны в глубь среды колебания все более запаздывают по фазе по сравнению с колебаниями этих величин на ее поверхности. Расстояние, на котором фаза изменится на 2л, называется длиной волны и определяется из условия k IS — 2л или А, = 2лД. [c.7] Из этих соотношений видно, что понятие глубины, проникновения взято условно, с большим основанием можно сказать, что волна почти полностью затухает на глубине, равной X. Однако понятие глубины проникновения весьма важно по ряду соображений, В слое толщинои Д протекает примерно 85,89% полного тока и выделяется 86,5% мощности. [c.7] Использование понятия глубины проникновения тока часто позволяет упростить расчеты. Экспоненциальное распределение тока можно заменить более простым — прямоугольным, т. е. [c.7] В реальных условиях, когда размеры прямоугольного проводника конечны или проводник имеет форму цилиндра или трубы, законы уменьшения модулей Н, Е п б и изменения фазы по мере проникновения волны в проводящую среду изменяются, однако понятие глубины проникновения не теряет смысла, так как плотность тока и мощность спадают практически до нуля первая — на расстоянии от поверхности (2,5 3) Д, а вторая — около 2Д [35]. Поэтому влиянием толщины проводника можно пренебречь, если она не меньше 8Д, а кривизна поверхности не учитывается, если радиус не меньше 4Д. [c.8] Глубина проникновения является важным параметром при расчете критериев, позволяющих оценить степень проявления поверхностного эффекта, правильно выбрать частоту тока для осуществления заданного технологического процесса. По формуле (8) проведен расчет глубины проникновения тока при различных частотах (табл. 1). [c.8] Анализируя картину магнитного поля двух проводников при одинаковом направлении тока (рис. 1, а), можно заметить, что эффект близости является формой проявления поверхностного эффекта и состоит в концентрации тока в определенных зонах поверхности в результате суммарного взаимодействия электромагнитных полей всех проводников. [c.10] Эффект близости проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние между проводниками и выше частота тока. При индукционном нагреве токи в индукторе и нагреваемой детали находятся почти точно в противофазе. Поэтому, используя эффект близости, можно подбором соответствующей формы индуктора концентрировать ток на участках изделия, которые необходимо нагревать. [c.10] Проводника. Вытеснение тока влечет за собой увеличение активного и реактивного сопротивлений. Таким образом, создание вокруг проводника разомкнутой магнитной цепи приводит к перераспределению тока по его сечению и тем сильнее, чем больше глубина паза и частота тока, проходящего по проводнику. [c.11] Поскольку в магнитолроводе за счет вихревых токов и потерь на гистерезис выделяется значительная мо ш.ность, его практически всегда нужно охлаждать водой. Для изготовления магнито-проводов, используемых при частотах звукового диапазона (0,5— 10 кГц), применяют пластины толщиной (0,1- 0,35)10 м, выполненные из трансформаторной кремнистой стали и покрытые термостойким слоем изоляции с помощью лакирования, оксидирования или лучше всего фосфатирования. Толщина пластины выбирается в зависимости от частоты, индукции и интенсивности охлаждения. Для частот 0,5—2,5 кГц применяют пластины толщиной (0,35ч-0,2) 10 м, а для частот 8—10 кГц — толщиной (0,2- 0,1) 10 м. Магнитопроводы, применяемые в устройствах с частотой радиодиапазона (70 кГц и выше), изготавливают только из феррита. [c.12] Если же сердечник не замкнут, то не всегда значение магнитной индукции постоянно во всем объеме магнитопровода. В этом случае формулы (9)—(11). могут быть использованы для качественного анализа. Если известно распределение магнитной индукции по сечению в различных элементах магнитопровода, то целесообразно разбить магнитопровод на участки с постоянным В п. Тогда полные потери в магнитопроводе определяются как сумма потерь каждого участка. [c.12] Изменение свойств различных металлов при изменении температуры и напряженности магнитного поля. Распределение тока в материале токопроводов и нагреваемой детали, а также мощности существенно зависит от свойств материала — магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления. Магнитная проницаемость материала определяется температурой и напряженностью магнитного поля, а удельное электрическое сопротивление — температурой. Абсолютная магнитная проницаемость Лд многих материалов, таких, как медь и ее сплавы, алюминий и его сплавы, титан, стали аустенитного класса и др., близка к значению абсолютной магнитной проницаемости вакуума =4я-10 Г/м. Относительная магнитная проницаемость этих материалов [X = близка к единице (несколько больше единицы для парамагнитных и несколько меньше единицы для диамагнитных материалов) и практически не зависит от напряженности Магнитного поля. [c.13] Вернуться к основной статье