1.2. Мощность, поглощаемая проводящей средой при высокочастотном нагреве

При нагреве изделий из проводящего материала обычно учитывается только электроэнергия, выделившаяся за счет индуктируемых в изделиях токов. Энергия, выделяемая за счет потерь на гистерезис, весьма мала и ее пренебрегают. При рассмотрении нагрева ТВЧ стали до температуры, превышающей температуру магнитных превращений, целесообразно выделить три основных периода нагрева.

В начальный период нагрева, называемый холодным режимом, удельное электрическое сопротивление может быть принято постоянным по всему сечению и равным среднему. Обычно расчет ведется для нагрева до температуры поверхности Т₀=600650⁰С, при которой в среднем =(0,600,65)10^-6Омм.

Магнитная проницаемость в любой точке сечения определяется по кривой намагничивания в зависимости от действующего значения первой гармоники напряженности магнитного поля.

В следующий период (промежуточный режим) на поверхности нагреваемой детали имеется слой толщиной х_н , который прогрет до температуры выше температуры точки Кюри. Температура остального сечения ниже этой температуры и постепенно понижается при удалении от поверхности. В слое х_н относительная магнитная проницаемость постоянна и равна единице. На границе зон, нагретой до температуры точки Кюри и холодной,  изменяется скачком. В холодной зоне  определяется по кривой намагниченности. Удельное электрическое сопротивление переменно во всем исследуемом объеме.

Третий период нагрева называется горячим режимом . При этом считается, что все сечение детали нагрето до температуры выше точки Кюри,  и  постоянны. Практически это надо принять , если х_н 2 45, где _н - горячая глубина проникновения. При рассмотрении нагрева неферромагнитных материалов, имеющих постоянную относительную магнитную проницаемость, учитывают только один период нагрева, характеризующийся постоянными значениями  и . Значение  выбирается средним для всего периода нагрева.

Холодный режим. При нагреве изделия ТВЧ напряженность магнитного поля на поверхности значительно превосходит критическую, при которой магнитная проницаемость достигает максимума. Поэтому поверхностные слои изделия находятся в состоянии магнитного насыщения. С увеличением глубины амплитуда напряженности магнитного поля уменьшается.

Промежуточный режим. При этом режиме в нагреваемом изделии имеются два резко разграниченных слоя. На границе слоев магнитная проницаемость изменяется скачком от  - 1 в поверхностном слое толщиной х_н1,5 _н до =₂ во втором слое в пределах которого она изменяется с падением напряженности магнитного поля.

1.4. Механизм процесса высокочастотной сварки

Термин «высокочастотная сварка» в современном толковании включает три разные по своему характеру процесса:

прессовую стыковую сварку с индукционном нагревом;

сварку оплавлением по отбортованным кромкам;

сварку давлением в условиях встречного протекания тока по свариваемым поверхностям. Настоящий раздел, как и все последующие, посвящен образованию сварного соединения в условиях встречного протекания тока.

Необходимыми условиями реализации рассматриваемого процесса является поверхностный нагрев свариваемых элементов и последующая деформация с образованием сварного соединения. Это достигается в непрерывно-последовательном процессе, когда свариваемые элементы сводятся под острым углом, а на некотором расстоянии от места схождения к ним подводится ток высокой частоты (рис 1.7). При движении обращенные друг к другу поверхности разогреваются, а в месте их схождения, под действием извне приложенных сил, происходит их деформация и сварка.

При одинаковом поперечном сечении свариваемых элементов магнитное поле в зазоре симметрично, симметричны и условия теплоотвода. Отсюда полностью идентичны условия их нагрева.

Такую систему, поэтому принято называть симметричной (рис.1.8,а).

Иной, несимметричный характер распределения магнитного поля и теплоотвода, а отсюда и условий нагрева, будет иметь место при нахлесточном или тавровом сечениях свариваемых элементов.

Такую систему принято называть несимметричной (рис.1.8,б). Нетрудно представить, что при одинаковом поперечном сечении, но разных теплофизических свойствах материала свариваемых элементов, система также будет несимметричной. Очевидно, для получения качественного сварного соединения при несимметричной системе необходимо перераспределение магнитного или теплового потоков, обеспечивающее близкие температурные условия свариваемых поверхностей.

Ниже будут даны описания разработанных для этого способов и устройств, а для наших рассуждений примем условия идентичности температурных параметров обоих свариваемых элементов, как в симметричной, так и в несимметричной системах.

Как было установлено на первых стадиях исследования процесса, возможны два варианта сварки давлением:

с нагревом свариваемых поверхностей перед осадкой выше Т_пл металла;

с нагревом свариваемых поверхностей перед осадкой ниже Т_пл металла;

При этом в первом варианте возможны два режима оплавления свариваемых поверхностей: в месте схождения, непосредственно перед осадкой; до места схождения; на некотором расстоянии от него.

В обоих вариантах легко просматриваются три взаимосвязанные стадии процесса: нагрев, осадка (деформация) и охлаждение.

Рассмотрим первую стадию процесса – нагрев свариваемых поверхностей. Коротко остановимся, прежде всего, на его роли в процессе сварки.

Таблица 1.11

Сравнительные показатели температурно-скоростных параметров некоторых видов сварки стали

Нагрев. Известно, что при всех видах сварки для образования металлического соединения необходимо сближение свариваемых поверхностей на расстояние, обеспечивающее действие между их ионами сил когезии. Величина этой силы обратно пропорциональна квадрату межионного расстояния и для большинства металлов лежит в пределах 10 – 100 Нм 10.

Что мешает сближению свариваемых металлических поверхностей на нужные расстояния при комнатной температуре?

Считают, что существуют, как минимум три препятствия сварке. Первое – геометрия металлической поверхности. Несмотря на давление, в несколько раз превосходящее предел текучести алюминия, деформации подвергались только вершины пирамид. Установлена так называемая величина «пороговой» деформации, ниже которой получить сварное соединение не удается. Если установленный предел пороговой деформации для мягких металлов, например, для свинца – 10%, для алюминия – 40%; для меди – 45% еще достижим, то для стали он не реален вообще.

Сближение свариваемых поверхностей на расстояние, обеспечивающее действие сил когезии в условиях низких температур, возможно только для мягких металлов и только при очень больших деформациях этих поверхностей.

Для создания условий существования сил когезии помимо малых межионных расстояний необходима также чистая от окислов и загрязнений металлическая поверхность. В реальных условиях существования такой поверхности можно представить в момент разрыва металлического образца.

Затем на поверхности разрыва образуется оксидный слой. Увеличение толщины окисной пленки пропорционально логарифму времени. В условиях комнатной температуры рост слоя прекращается быстро. Для алюминия в момент образования толщина пленки составляет 15А, через 50 часов – 25А, а через тридцать дней – 45 А 21.

В условиях нашей планеты при комнатной температуре нет другой возможности кроме разрушения окисных пленок. В процессе деформации свариваемых поверхностей необходимо механическое разрушение окисных пленок. Исследованиями установлено, что необходимая деформация должна, как минимум на 1% превышать деформацию, которая обеспечивает разрушение оксидных пленок. Значения пороговой деформации для различных металлов учитывают эту составляющую.

Загрязнение свариваемых поверхностей. Имеются в виду органические загрязнения, такие как масла, жирные кислоты, парафины, находящиеся на металлической поверхности и удерживаемые на ней адсорбционными силами. В результате тонкие граничные слои приобретают свойства, значительно отличающиеся от исходных, не находящихся в контакте с металлической поверхностью, приближаясь к свойствам упругого тела. Удаление при холодной деформации свариваемых поверхностей затруднительно. Поэтому необходима предварительная механическая или химическая очистка свариваемых поверхностей.

При нагревании пластические свойства всех технических металлов и сплавов значительно возрастают, особенно при температурах выше 0,7 Т_пл ; высокотемпературный нагрев существенно облегчает условие деформации свариваемых поверхностей. Нагрев одновременно активирует процессы образования и роста оксидных пленок.

По мнению исследователей, при небольшом содержании легирующих элементов, например в малолегированных сталях, тугоплавкие окислы при оплавлении свариваемых поверхностей находятся в оплавленном слое в связанном состоянии, образуя сложные соединения с окислами железа 24.

Таким образом, провоцируя изменение состава, свойств и толщины окисных пленок, нагрев до температур ниже Т_пл металла может лишь в отдельном случае разрушить – расславить их и, тем самым, подготовить поверхность для сварки. Например, при сварке углеродистых, нелегированных сталей, где пленка окислов будет состоять в основном из окисла железа. Во всех других практических случаях эффективен, очевидно, нагрев свариваемых поверхностей до температур выше Т_пл металла.

Наиболее универсален и наиболее распространен вариант сварки давлением с нагревом свариваемых поверхностей при температуре выше Т пл металла.

Можно сделать вывод о том, что для уменьшения присущего высокочастотному нагреву термоперепада по высоте свариваемых кромок угол схождения между ними должен быть минимальным . Это особенно важно в условиях сварки заготовок большой толщины.

Рассмотрим результаты, полученные при анализе кинограмм процесса нагрева и оплавления свариваемых кромок. Практически всеми исследователями обнаружен вариант нагрева свариваемых кромок. Практически всеми исследователями обнаружен вариант нагрева свариваемых поверхностей, при котором оплавление происходит в непосредственной близости от места осадки, а точнее перед осадкой.

Давление, оказываемое магнитным полем на жидкий металл, замыкающий кромки, создает условия для его интенсивного выброса. Можно предположить, что при этом вместе с расплавленным металлом удаляются расплавленные и нерасплавленные окислы.

Использовать такой режим нагрева и оплавления свариваемых поверхностей с получением качественного, стабильного соединения, можно только на углеродистых и малоуглеродистых сталях, т.е. только в вариантах существования или легкоплавких, или тугоплавких окислов, находящихся в соединениях с оксидами железа. Оптимальные условия нагрева могут быть реализованы при малых углах схождения кромок.

Нижний предел угла схождения ограничен величиной гарантированного воздушного зазора между кромками, при котором исключено возникновение электрического пробоя. Известны два фактора, дестабилизирующие величину зазора: качество нагреваемой поверхности и качество механизмов, фиксирующих заданное положение заготовки в процессе нагрева. Как правило, подлежащие нагреву свариваемые элементы имеют поверхность, полученную после горячей или холодной прокатки или после раскроя на агрегатах продольной резки. При тавровых соединениях имеет место сочетание катанной поверхности с поверхностью, полученной после раскроя; в стыковых – обе поверхности после раскроя. Последняя имеет неправильную геометрию и неровную поверхность с выступами до 0,2 мм.

С ростом толщины заготовки качество поверхности после раскроя, как правило, ухудшается. С ростом толщины свариваемой заготовки одновременно с увеличением нагрузок на механизмы фиксации угла схождения и необходимостью сохранения уровня точности, аналогично тонкостенному варианту, расширяются допуски на геометрические размеры и на механические свойства материала заготовки.

Существуют два фактора, которые приводят к тому, что в реальных условиях с ростом толщины свариваемой заготовки абсолютная величина схождения кромок увеличивается. Это заставляет в большинстве случаев искать компромиссное решение и увеличивать угол схождения кромок с ростом их толщины, вместо того, чтобы его уменьшать. Например, при производстве стальных прямошовных труб с толщиной стенки 1-10 мм угол схождения увеличивается соответственно от 1 до 3,5⁰. Более правильным, но и более дорогим вариантом является введение дополнительной механической обработки поверхностей, получаемых после раскроя, при одновременном ужесточении допусков на геометрические размеры и механические свойства свариваемой заготовки.

Во многих практических случаях в условиях оплавления свариваемых кромок непосредственно перед осадкой угол схождения определяется не только и не столько исходя из толщины кромок, а главным образом, исходя из технологических приемов и устройств, обеспечивающих производство того или иного вида полуфабриката. Например, при сварке прямошевных труб из углеродистых и малолегированных сталей наибольшее распространение получили углы схождения от 0,6 до 3,5⁰, а при оребрении труб, производстве профилей и панелей из аналогичных сталей, угол схождения лежит в пределах 3 – 30⁰. При необходимости выравнивания температурного поля в этих условиях по высоте свариваемых поверхностей используются специально разработанные для этого способы и устройства.

Рассмотрим второй, более сложный вариант наплавления кромок, заранее оговорив, что только при его использовании удается осуществить сварку металлов, на поверхности которых в тех или иных условиях образуются тугоплавкие окислы, в том числе алюминия и его сплавов, коррозионностойких и жаропрочных сталей, титана и т.д.

Процесс оплавления свариваемых кромок до места их схождения, должен быть непрерывным, а для этого необходимы дополнительные, более жесткие, условия , чем это происходит при сварке с оплавлением в месте схождения кромок.

Происходит подогрев кромок до температуры плавления, кромки при этом оплавляются не вдруг, а постепенно, чаще всего начиная с углов, захватывая потом и середину.

Отсутствует единая точка зрения на условия образования выброса расплавленного металла с нагреваемых кромок. I – происходит в результате образования перемычки из расплавленного металла между кромками, взрыва перемычки из-за большой плотности тока в ней, разрушения и удаления при этом окисных пленок. II – выброс металла из-за действия электромагнитной силы, возникающей в зазоре между кромками при взаимодействии токов проводимости с магнитным полем. III – заключается в сочетании действия магнитного поля с образованием и взрывом перемычек. Именно при этом процессе происходит разрушение и удаление оксидных и адгезионных слоев с нагреваемых поверхностей и, таким образом, подготовка их к пластической деформации.

Окислы и адгезионные слои с нагреваемых поверхностей удаляются , а во избежание роста новых оксидных слоев время существования нагреваемого на этом участке металла должно быть сведено к минимуму. Для большинства свариваемых металлов и сплавов это допустимо, но увеличение верхнего временного предела, например, при сварке алюминия, на порядок исключает возможность получения качественного сварного соединения. Поэтому ограничен нижний предел скорости сварки, вызванный процессом нагрева и присущего только условиям удаления оксидов со свариваемых поверхностей на трудносвариваемых металлах и сплавах.

Во всех практических вариантах сварки с оплавлением до места схождения кромок применяются углы 3 – 6,5⁰, т.е. они в два и более раз больше рекомендуемых в условиях сварки углеродистых сталей. Большие их значения относятся, как правило, к большим толщинам свариваемых заготовок.

Однако, это противоречит условиям равномерности нагрева толстостенных свариваемых заготовок. Этим осложняется сварка толстостенных заготовок из металлов и сплавов, требующих использования варианта оплавления кромок до места схождения.

Вторая стадия процесса сварки – осадка.

Осадка. Деформация очищенных и нагретых свариваемых поверхностей заданных заготовок производится с помощью валковых механизмов, которые показаны схематично для симметричной и несимметричной схем. Очаг деформации зависит от трех параметров: угла схождения кромок, величины осадки и диаметра валкового инструмента. Существует нижний предел скорости осадки, а следовательно и сварки, ниже которого получить качественное сварное соединение нельзя. Для условий сварки трудносвариваемых материалов, это уже второе ограничение нижнего предела скорости сварки. Возможен и другой вариант. По этому варианту не изменяя скорость сварки, можно изменять время нагрева свариваемых элементов, изменяя место подвода тока к ним, и тем самым уменьшать градиент dt/dx. Достаточно, чтобы такая возможность предусматривалась в устройствах передачи тока к свариваемой заготовке. Тогда это ограничение становится менее жестким. Значение минимально возможных скоростей сварки, учитывающие как условия оплавления, так и осадки, приводятся в соответствующих разделах при рассмотрении конкретных технологий.

В зависимости от схемы схождения кромок распределение напряжений в сварном шве меняется. При начале деформации по наружной или внутренней поверхности свариваемых элементов участки схождения, не вошедшие в контакт, имеют растягивающие тангенциальные напряжения. При строго параллельном схождении свариваемых поверхностей и одновременной их деформации наблюдается двустороннее сжатие, и только после определенной степени деформации на периферийных участках деформируемой зоны появляются тангенциальные растягивающие напряжения.

Напряженное состояние, возникающее в результате пластической деформации, характеризуется наличие областей концентрации напряжений в центральной части и у основания усиления шва. У центра шва напряжения сжимающие, а в зоне термического влияния растягивающие. Максимальные растягивающие напряжения, при жестких режимах прогрева, соизмеримы с пределом текучести холодного металла. Удельные усилия осадки могут колебаться при частоте сварочного тока 8 кГц от 50 до 80 МПа, а при частоте 440 кГц – от 160 до 230 МПа. Минимальная величина осадки должна быть 0,2 – 0,35 толщины свариваемых элементов.

Свариваемость сталей. Как следует из сказанного, общим и характерным для процессов является ярко выраженная локальность нагрева в сочетании с высокими скоростями сварки. Ширина зоны термического влияния в области сварного соединения, как правило, колеблется в пределах 1,0 – 5,0 мм. Температурные градиенты в зоне шва достигают 1000⁰С/c, что обуславливает мощный тепловой поток от нагретых участков к холодным и , следовательно, высокие скорости охлаждения шва и околошовной зоны. Эксперименты показывают, что при сварке малоуглеродистой стали средняя скорость охлаждения в интервале температур 1000 – 500⁰С на границе слоя, нагретого на глубину 1 мм, составляет около 1500⁰С /c, на 2 мм – 400⁰ С /c и на 3 мм – порядка 170 С /c.

Для многих марок сталей, в том числе и малоуглеродистых, эти скорости будут выше критических и, как следствие этого, в зоне сварного соединения будут образовываться хрупкие структурные составляющие (мартенсит, тростит). Известно, что мартенситное превращение происходит лишь тогда, когда сталь охлаждается со скоростью не ниже некоторой критической, величина которой зависит от химического состава стали. Если скорость охлаждения ниже критической, происходит превращение при котором образуется двухфазная смесь феррита с карбидом железа – игольчатый тростит или феррито-перлитная смесь. Температура, при которой в процессе охлаждения начинается мартенситное превращение, считается мартенситной точкой, положение которой изменяется в зависимости от содержания в стали углерода и не зависит от скорости охлаждения.

На положение мартенситной точки существенное влияние оказывает содержание кремния, марганца и других растворимых в аустените примесей. У сталей обычного приготовления критическая скорость значительно ниже, чем у сталей повышенной чистоты. Считается, что при охлаждении в принятых средах в сталях с содержанием углерода до 0,1% мартенсит вообще не может быть получен, так как критическая скорость закалки велика. При сварке давлением, когда скорости охлаждения соответствуют приведенным выше, в сталях с содержанием углерода 0,1 – 0,2%.

Таблица 1.15.

Структурные составляющие стали марок 45 и 40Х для различных скоростях охлаждения.

В околошовной зоне всегда образуются участки мартенсита или троосто-мартенсита, а в среднеуглеродистых сталях – игольчатый феррит и мартенсит. Шов – хрупкий, при этом всегда возможно образование холодных трещин непосредственно после осадки. Поэтому сортамент свариваемых сталей ограничен верхним пределом содержания углерода (оно колеблется от 0,18 до 0,27%С). Если наличие хрупких составляющих в сварном соединении недопустимо, проводится последующая нормализация (локальная или объемная) , обеспечивающая распад закалочных структур на феррито- перлитную смесь.

В процессе сварки сталей с большим содержанием углерода необходимо замедлить теплоотвод из зоны шва. В табл. 1.15 приведены скорости охлаждения для сталей марок 45 и 40Х в температурном интервале 500 – 700⁰С. Из таблицы видно, что в стали 45 при скорости охлаждения 4⁰С/с мартенсит не обнаруживается.

Таблица 1.16

Скорость охлаждения стали в интервале 500 – 700⁰С при различных вариантах нагрева.

Посмотрим далее, как наиболее рационально обеспечить нужную скорость охлаждения. Для исследуемого случая расчетным путем определены скорости охлаждения зоны сварного соединения при частотах тока источника питания 440, 10 и 440 кГц с предварительным локальным подогревом свариваемых элементов токов частотой 10 кГц до 900⁰С. Из таблицы 1.16 видно, что во всех трех вариантах скорость охлаждения зоны сварного шва намного превышает критическую. При увеличении времени нагрева (снижении скорости сварки до пределов ниже _св.кр.) скорость охлаждения остается выше критической. Поэтому для сварки среднеуглеродистых сталей может быть рекомендован предварительный подогрев свариваемой заготовки до температуры А_с1.

В зависимости от марки стали, геометрии свариваемых изделий и скорости сварки расчетным путем может быть определена оптимальная температура подогрева стали. Например, при сварке прямошовных труб малого диаметра из наиболее распространенных марок среднеуглеродистых сталей температура предварительного подогрева должна быть 420 – 680⁰С. Этот диапазон подтверждается экспериментальными данными. Так, при сварке прямошевной трубы диаметром 89 мм с толщиной стенки 3 мм на частоте 440 кГц с предварительным подогревом до Т=630⁰С получена равновесная смесь в сварном соединении и достигнуто выравнивание твердости по его ширине до уровня твердости исходной заготовки.

С учетом особенностей протекания токов высокой частоты, а также механизма процесса сварки разработаны способы передачи энергии к свариваемым кромкам. Они в значительном степени определяют работоспособность и надежность высокочастотного оборудования и расход электроэнергии, затрачиваемой для осуществления процесса сварки.