Высокочастотная сварка

Токи высокой частоты нашли промышленное применение в 30-40-х гг. прошлого века в основном в области электротермии. В это же время были предприняты попытки их применения для сварки металлов.

Использование токов высокой частоты (ТВЧ) для сварки основано на проявлении двух эффектов: поверхностного и близости. Проявление поверхностного эффекта заключается в том, что плотность переменного тока, протекающего по металлическому телу, распределена неравномерно по его сечению.

Она максимальна на поверхности проводника и резко уменьшается по мере удаления от поверхности в глубь тела. Толщина этого поверхностного слоя, называемая «глубиной проникновения тока», тем меньше, чем выше, в частности, частота тока. Поэтому при высокой частоте ток проходит лишь по тонкому поверхностному слою проводника.

Поверхностный эффект существенно увеличивает активное сопротивление проводников и позволяет сконцентрировать выделение энергии в поверхностных слоях нагреваемых изделий.

Эффект близости заключается в том, что токи высокой частоты, протекающие в двух параллельных проводниках и имеющие противоположные фазы, стремятся пройти по путям, находящимся в максимальной близости один от другого. Это явление позволяет управлять распределением тока высокой частоты по поверхности металла и локализовать нагрев в строго ограниченной зоне.

Рис. 5 Схемы поперечной (а) и продольной (б) стыковой сварки ТВЧ: 1–свариваемые трубы;

2–индуктор;

3–магнитопровод;

4–устройство для создания сварочного давления

Следующим шагом в развитии этого вида сварки было ее применение для выполнения продольных швов при производстве электросварных труб. Были разработаны различные методы реализации этого направления развития сварочного производства.

При контактном методе ток подводится с помощью электродов (кондукторов), подключающих свариваемые детали к источнику ТВЧ. Этот метод подвода тока прост и эффективен, но имеет один недостаток – наличие подвижного контакта между заготовкой и электродами.

Дуговая сварка покрытыми электродами

В конце XIX в. – начале ХХ в. дуговую сварку применяли в России и за рубежом главным образом на железных дорогах, на крупных машиностроительных и металлургических предприятиях. Усовершенствование технологии сварки позволило применять ее не только для ремонта простых изделий, но и для более ответственных работ. С помощью сварки ремонтировали паровозные цилиндры, вагонные колеса, заваривали трещины в бронзовых золотниках и наплавляли шейки паровозных и вагонных осей. Успешно сваривали чугун и бронзу, стальные детали значительных сечений. Качество сварочных работ находилось на высоком уровне.

Дуга на металлическом электроде имеет небольшую длину, поэтому сварщик должен поддерживать дуговой промежуток с большой точностью в пределах 1–3 мм при скорости плавления электрода более 200 мм в минуту. В связи с этим стоит электроду оплавиться на несколько миллиметров, как процесс становится неустойчивым, капли металла разлетаются в разные стороны, дуга гаснет. Поэтому необходимо было не только найти способы защиты зоны сварки и легирования ванны для улучшения качества металла шва, но и попытаться облегчить процессы возбуждения и поддержания горения дуги.

В 1907 г. был создан плавящийся электрод в виде отрезка проволоки, покрытого с помощью клея порошком силикатов. Так хотели предотвратить стекание электродного металла при сварке швов в потолочном положении, но дополнительно обнаружилось, что улучшается и защита зоны сварки. Цель покрытия – «защитить расплавленный металл от кислорода и азота воздуха и обеспечить надлежащие физические и химические свойства шва, а также сделать возможной сварку во всех пространственных положениях». Непокрытым оставался только один конец, который вставлялся в электрододержатель и торец электрода на другом конце, которым зажигали дугу. Однако «защита» была очень слабая. Расплавленные силикаты обволакивали конец электрода, но поверхность капель металла не полностью покрывалась шлаком. Компоненты воздуха – азот и кислород – могли контактировать и взаимодействовать с металлом. Несмотря на это, качество металла удалось улучшить.

Было предложено обматывать металлический стержень асбестовым шнуром, пропитанным силикатом натрия (жидким стеклом). Тонкая алюминиевая проволока наматывалась поверх покрытия. Шлака от такого покрытия образовывалось столько, что обеспечивалась достаточно надежная защита и образующихся капель металла и сварочной ванны. Алюминий выступал в роли раскислителя и обеспечивал удаление кислорода.

В 1917 г был изобретен новый тип электрода. Стальной стержень был обернут полосой бумаги, приклеенной силикатом натрия. Бумага при горении электрода давала дым, который оттеснял воздух из зоны сварки. Обнаружилось еще одно интересное свойство покрытия – дуга зажигалась сразу, с первого касания, и не гасла при удлинении.

В 1925 г. несколько изменилась конструкция штучного электрода: на бумагу с помощью жидкого стекла наносились порошкообразные компоненты, улучшающие защиту и легирующие металл шва. По мере добавления различных компонентов покрытие становилось толще, а качество наплавленного металла – лучше.

Таким образом, за первую четверть ХХ в. были разработаны конструкции плавящихся электродов для ручной дуговой сварки, методы их изготовления, обоснован состав покрытия. К концу 20-х годов прошлого века электроды с обмазкой содержали специальные компоненты: - газообразующие – оттесняющие воздух из зоны сварки; - легирующие – улучшающие состав и структуру металла шва; - шлакообразующие – защищающие расплавленный и кристаллизующийся металл от взаимодействия с газовой фазой; - стабилизирующие – вещества с низким потенциалом ионизации. Изменяя состав компонентов покрытия, можно было получать электроды со специальными свойствами. Судьба дуговой сварки зависела также от решения проблемы источника питания.

Рис. 6. Первый электрический генератор для сварки, разработанный и построенный

Н.Г. Славяновым

А в середине 20-х годов ХХ в. в качестве источников питания наряду со сварочными преобразователями стали использовать специальные сварочные трансформаторы, а еще через десять лет – сварочные выпрямители.

Но были и недостатки. Трещины в швах и околошовной зоне, напряжения и деформации целых конструкций, изменяющееся труднопредсказуемое качество при изменении сварочных материалов, ограниченность материалов, их толщин и типов соединений, которые можно сваривать – вот неполный перечень проблем.

Были разработаны вопросы, относящиеся к технологии дуговой сварки, деформациям и напряжениям металла при сварке:

- определение коэффициентов прочности сварных соединений;

- изучение влияния пространственного положения деталей при сварке на прочность шва;

- разработку системы обозначений сварных швов на чертежах;

- разработку методов расчета сварочных деформаций и напряжений;

- введение важнейших объективных показателей видов сварки плавлением – «коэффициента наплавки» и «коэффициента расплавления».