Преимущества радиочастотной сварки

Основным преимуществом радиочастотной сварки является более высокая скорость сварки, а именно до 2 м/с и более. Возможность изготовления труб из углеродистых, легированных и высоколегированных, в том числе нержавеющих сталей, цветных и редких металлов и сплавов, качественная сварка труб из горячекатаной нетравленой ленты, значительное уменьшение удельного расхода электроэнергии на 1 тонну готовых труб также является непосредственным преимуществом.

К весьма существенному плюсу этого способа следует отнести возможность использования одного и того же сварочного оборудования для сварки различных металлов, изменяя при этом лишь электрические и скоростные параметры процесса.

Радиочастотная сварка основана на использовании двух физических явлений, обусловленных характером протекания электрического тока высокой частоты - эффекта близости и поверхностного эффекта.

Эффект близости - это явление, при котором в поперечном сечении двух проводников плотность тока, текущего в противоположных направлениях, неравномерна - большее значение на участках сближения проводников. При пропускании по проводнику переменного тока плотность его в периферийных участках будет тем больше, чем выше частота протекающего тока. Это явление называется электрическим поверхностным эффектом. Глубина проникновения тока в сталь зависит от частоты тока и температуры нагрева.

Подвод тока к кромкам трубной заготовки осуществляется двумя способами: контактным и индукционным. При контактном методе сварки ток проходит двумя путями: 1)от первого контакта вдоль одной кромки трубной заготовки до точки А и вдоль другой кромки до второго контакта (ток i1) от одного контакта к другому вокруг трубной заготовки (шунтирующий ток i2).

Величина тока, протекающего по кромкам трубной заготовки и по периметру заготовки, определяется соотношением индуктивных сопротивлений каждой из рассматриваемых цепей нагрузки. Индуктивное сопротивление цепи, образованной периметром трубной заготовки, значительно превышает индуктивное сопротивление цепи кромок, поэтому максимальная часть суммарного тока будет проходить непосредственно по кромкам заготовки.

Индуктивное сопротивление вокруг трубной заготовки увеличивается с ростом диаметра заготовки и при установке внутрь заготовки на участке сварки сердечника из ферромагнитного материала. Применение таких сердечников особенно эффективно при сварке труб малого диаметра.

Зазор между сердечником и внутренней поверхностью должен быть минимальным (не более 2-З мм), однако на практике, чтобы избежать пробоев, его поддерживают равным 3-5 мм.

Наличие ферритового сердечника увеличивает электрический к. п. д. и способствует большей концентрации энергии в кромках заготовки и тем самым уменьшает ширину зоны их разогрева.

Недостатками метода сварки труб токами высокой частоты с контактным способом подвода тока является наличие скользящих контактов, имеющих ограниченный срок службы, что вызывает необходимость их частой замены и увеличивает простой стана.

Значительно шире используется сварка труб токами высокой частоты с индукционным способом подвода энергии с помощью кольцевого индуктора, имеющего один или несколько витков, охватывающих трубную заготовку.
При индукционном подводе энергии ток индуктора наводит в металле электродвижущую силу; под влиянием э.д.с. в цепи нагрузки возникает электрический ток, который, проходя по периметру заготовки и встречая на своем пути открытую щель, отклоняется к точке схождения кромок, достигая максимальной концентрации за счет эффекта близости и поверхностного эффекта.

Недостаток индукционного подвода энергии состоит в том, что по периметру проходит полный сварочный ток и в связи с этим происходит повышенный расход электроэнергии. Отсюда в отличие от контактного подвода увеличение диаметра заготовки приводит к увеличению потерь энергии. Индукционный способ применяют, как правило, при производстве сварных труб диаметром до 114 мм.

Сварка труб с контактным подводом энергии требует более качественной заготовки, тщательной настройки формовочного и сварочного стана, постоянного наблюдения за состоянием контактов и частой их смены. Однако потребляемая мощность при получении труб малого диаметра и с малой толщиной стенки примерно в два раза меньше, чем при индукционном подводе энергии.

На качество сварного шва большое влияние оказывает частота тока, определяющая глубину зоны термического действия. Нагрев кромок на большую глубину приводит к потерям энергии. При частоте тока звукового диапазона 8 кГц проникновение тока в металл составляет доли миллиметра. В отечественной практике производства труб радиочастотной сваркой принята частота тока 400-450 кГц.

Выбор частоты тока определяется не только удельным расходом энергии, но и рядом технологических факторов; толщиной стенки трубы, производительностью, качеством подготовки кромок и др. Увеличение толщины стенки приводит к необходимости снижения частоты сварочного тока, уменьшения скорости и увеличения мощности сварки. На рис. 118 приведена зависимость сварочной мощности от скорости сварки при различной толщине стенки S трубной заготовки.

С увеличением скорости сварки и толщины стенки коэффициент полезного действия повышается. Кроме того, скорость сварки оказывает существенное влияние на структуру сварного шва, а следовательно, и на свойства готовой трубы.

При увеличенных скоростях сварки повышается скорость охлаждения сварного шва, что приводит к образованию закалочной структуры металла (троостит - мартенсит), что снижает пластичность шва, однако с повышением скорости сварки переходная зона - зона термического влияния резко уменьшается и измеряется десятыми долями миллиметра, а микротвердость сварного шва отличается от микротвердости основного металла на 5-10%. Такие структуры и свойства сварного соединения нельзя получить никакими другими из существующих методов сварки труб.

При нагреве кромок трубной заготовки возможны три режима сварки:

) кромки заготовки при подходе к сварочным валкам нагреваются до температуры 1300-1400 ос, в точке схождения они дополнительно разогреваются, но не доводятся до расплавления, находясь в пластическом состоянии. Сжатием кромок при удельном давлении не менее 50 МПа происходит разрушение и удаление окисных пленок на поверхности шва;

) кромки заготовки при подходе к точке схождения нагреваются до температуры, близкой к температуре плавления металла и в месте контакта доводятся до расплавления. Давлением сварочных валков жидкий металл с окислами выдавливается, образуя валик (грат). Удельное давление на кромки при этом режиме меньше и составляет 20-30 МПа;

) кромки при подходе к точке схождения разогреваются до температуры плавления, а в месте контакта перегреваются. Процесс сварки происходит с выбросом расплавленного металла из зоны сварки, и образуется так называемый пилообразный грат.

Затраты энергии в каждом из трех режимов различны: минимальные в первом, несколько больше во втором и максимальные при третьем режиме сварки.

Выбор того или иного варианта зависит от свойств металла трубной заготовки, качества ее поверхности и требований, предъявляемых к внутреннему грату.

Малоуглеродистые стали хорошо свариваются и в пластическом (давлением) и расплавленном (оплавлением) состояниях. Однако при сварке в пластическом состоянии давление на кромки должно быть значительно большим, чем при сварке расплавлением. Это приводит к заметной деформации кромок и образованию ровного, но значительной величины внутреннего грата. При толщине стенки трубы 1,5-2,0 мм высота грата достигает 0,8-1,0 мм. При сварке с оплавлением в точке схождения кромок (второй режим) внутренний грат получается в виде плотного валика без неровностей и высотой не более 0,4 мм. С уменьшением сварочного давления не только уменьшается величина трата, но и увеличивается стойкость узла сварочных валков.

Третий режим сварки применяют при изготовлении труб из высоколегированных сталей и специальных сплавов.

Высота грата на наружной и внутренней поверхности трубы может регулироваться подготовкой кромок (скосы) или применением специальной калибровки формовочных валков.