4.6Индукционно-прессовая сварка

Промышленное применение электрического индукционного нагрева относится к 40-м годам 20 столетия. Индукционный нагрев производят вихревыми токами (токами Фуко), возникающими в металле, внесенном в переменное магнитное поле, которое создается обмоткой (индуктором), питаемой переменным током. В этом случае индуктор, создающий поле, может рассматриваться как первичная обмотка трансформатора, а нагреваемый металл - как вторичная обмотка, замкнутая накоротко.

Для индукционного нагрева первостепенное значение имеет частота тока. С повышением частоты эффективность бесконтактной передачи энергии от индуктора в нагреваемое изделие увеличивается. Для сварки применяются высокие частоты – от сотен тысяч герц до мегагерц.

Важное значение для высокочастотного индукционного нагрева имеет так называемый поверхностный эффект (скин-эффект). Плотность переменного тока повышенной частоты достигает максимального значения в поверхностных слоях проводника, где выделяется большая часть тепла. Степень неравномерности зависит от частоты тока и свойств материала проводника.

Глубину проникновения h тока в металл, можно определить из следующего выражения: , где ρ- удельное сопротивление Ом*см, f- частота в Гц,

μ- магнитная проницаемость металла.

При индукционном нагреве стали, с повышением температуры ρ возрастает, а μ уменьшается до 1 после точки Кюри (около 800˚С). Следовательно, при повышении температуры толщина прогреваемого поверхностного слоя увеличивается.

При достаточно высоких частотах, токи проникают в металл на незначительную глубину и индукционный нагрев из объемного, практически превращается в поверхностный, что видно из нижеприведенных данных:

Кроме поверхностного эффекта для высокочастотного индукционного нагрева при сварке используют так называемый эффект близости. Если вблизи проводника с переменным током, параллельно разместить другой проводник без тока или же с током, имеющим противоположное направление, то, в первом случае во втором проводнике вследствие электромагнитной индукции возникает ток, направленный противоположно току в первом проводнике.

В зазоре между проводниками магнитные потоки от обоих токов суммируются, что вызывает увеличение плотности тока в обращенных к зазору поверхностных слоях проводников. Этим эффект позволяет локализировать нагрев в ограниченной зоне свариваемого изделия.

Исходя из особенностей индукционного нагрева, определилась область применения индукционной сварки – это сварка тонкостенных изделий, в первую очередь, труб. В настоящее время индукционно-прессовой сваркой свариваются трубы малого и большого диаметра на высокопроизводительных трубоэлектросварочных станах со скоростью до 100 м/мин.

При сварке продольных швов на трубах малого диаметра используется чаще всего эффект близости (высокочастотная сварка с автоконцентрацией тока).В сварочном стане из ленты сворачивается заготовка трубы, которая подается в обжимные валки. К непрерывно движущимся кромкам, сходящимся друг к другу под некоторым углом, подводится высокочастотный ток катящимися электродами. Ток протекает по V-образному контуру образованному свариваемыми кромками, в противоположных направлениях и за счет эффекта близости нагревает кромку до пластического состояния в узкой зоне шириной до 0, 2 мм. В зоне смыкания кромок обжимные валки деформируют нагретый металл, формируется непрерывный продольный сварочный шов.

При сварке труб диаметром до 500 мм сварочный индуктор размещают внутри трубной заготовки, что позволяет уменьшить потери энергии и снизить частоту тока. Высокочастотная сварка применяется для изготовления алюминиевых труб, оболочек кабелей, тонкостенных тавровых и двутавровых профилей. Широкое применение индукционно-прессовая сварка находит для стыковой сварки труб, профилей.

Есть примеры успешного применения индукционного нагрева свариваемых кромок до расплавления, когда сварка производится без приложения давления (индукционная сварка). В этом случае целесообразно применять сварные швы по отбортовке. Таким способом свариваются крышки с корпусами конденсаторов и аккумуляторов, трубки с решетками в охладителях.

Область применения индукционной и индукционно-прессовой сварки в машиностроении постоянно расширяется, так как эти виды сварки отвечают многим требованиям современной техники.