4. Магнитно-импульсная сварка

Магнитно-импульсная обработка металлов основы­вается на использовании сил электромеханического взаимо­действия между вихревыми токами, наведенными в стенках обрабатываемой детали при пересечении их силовыми магнитными линиями импульсного магнитного поля, и самим магнитным потоком. При этом электрическая энергия непо­средственно преобразуется в механическую, и импульс дав­ления магнитного поля действует непосредственно на заго­товку без участия какой-либо передающей среды.

В установку для магнитно-импульсной сварки (рис. 4.1) входят: зарядное устройство 1, состоящее из высоко­вольтного трансформатора и выпрямителя; коммутирующее устройство 3, включающееся при подаче поджигающего импульса на вспомогательный электрод и вызывающее раз­ряд батареи высоковольтных конденсаторов 2 на индуктор 4.

Рис. 4.1. Принципиальная схема магнитно-импульсной сварки

Свариваемые детали 5 и 6 устанавливают внахлестку под углом α друг к другу с зазором S между ними. Индуктор 4 устанавливают на поверхности, противоположной свари­ваемой. Для предотвращения перемещения при сварке де­таль 6 жестко закрепляется в опоре 7. Закрепление детали 5 должно обеспечить перемещение ее свариваемого конца в направлении детали 6. При разрядке батареи конденсаторов в зазоре между индуктором и заготовкой возникает сильное магнитное поле, индуктирующее в этой заготовке ток.

Взаимодействие тока индуктора с индуктированным током в заготовке приводит к возникновению сил отталкивания между индуктором 4 и деталью 5, вследствие чего деталь 5 с большой скоростью перемещается от индуктора в направ­лении неподвижной детали 6. При соударении в зоне кон­такта развиваются высокие давления, и образуется сварное соединение.

При магнитно-импульсной сварке давление на ме­таемый элемент передается мгновенно (со скоростью рас­пространения магнитного поля) и движение сообщается не отдельным участкам, как при сварке взрывом, а всей метае­мой детали. Для обеспечения последовательного перемеще­ния зоны контакта при сварке детали устанавливаются сва­риваемыми поверхностями под углом друг к другу, метае­мая деталь перед сваркой обрабатывается «на ус» и т.п. Со­единение, как и при сварке взрывом, образуется в результа­те косого соударения свариваемых поверхностей. При этом создаются условия для очистки свариваемых поверхностей от оксидов и загрязнений кумулятивной струей и для ин­тенсивной пластической деформации поверхностей металла с образованием между ними металлических связей.

Формирование сварного соединения возможно и ме­жду параллельно расположенными поверхностями. При этом вследствие рассеяния магнитного поля на концах ин­дуктора распределение давления вдоль образующей метае­мого элемента неравномерное - меньше по концам и больше в средней части. При таком нагружении первоначально прямолинейный метаемый элемент, перемещаясь к моменту встречи с неподвижной деталью, становится выпуклым, и плоское соударение переходит в косое, распространяющее­ся в общем случае в двух противоположных направлениях от зоны начального контакта.

Существует три основных схемы магнитно-импульсной сварки: обжатием трубчатых заготовок с ис­пользованием индуктора, охватывающего заготовку (рис. 4.2,б,г,е); раздачей трубчатых заготовок с использованием индуктора, помещенного внутрь заготовки (рис.4.2,а,в,д); деформированием листовых заготовок плоским индуктором (рис. 4.1.). Для предотвращения деформации тонкостенных элементов в процессе сварки внутрь трубы 1 (рис. 4.2,б,г,е) вставляют металлическую оправку, удаляемую после свар­ки.

Процесс сварки можно регулировать изменением скорости соударения υ, скорости движения фронта контакта υ_к и угла соударения поверхностей γ. Эти пара­метры являются основными динамическими параметрами сварки, их численные значения, соответствующие началу образования различных материалов, приведены в табл. 4.1.

Скорость соударения υ определяется давлением магнитного поля на метаемый элемент, характером его рас­пределения и частотой изменения; она также зависит от геометрических размеров метаемого элемента, физико-механических характеристик материала, начального зазора между свариваемыми поверхностями δ и начального угла α между ними.

Рис. 4.2. Схемы осуществления магнитно-импульсной сварки: 1,2 — свариваемые заготовки; 3 — индуктор

Таблица 4.1

Значения основных параметров магнитно-импульсной сварки

Мате­риал γ	Д16АМ 6° 40'	АМцМ 7°	Амгб 6°15'	В95АТ 6° 40'	ОТ-1 9° 30'	Ml 13°15'	Л62 8°30'
υ, м/с υк, м/с	300 2540	315 2580	380 3400	380 3240	390 2370	450 1970	460 3140

Скорость движения фронта контакта υ_к связана со скоростью υ и углом γ соударения зависимостью

.

Величина υ при сварке изменяется по длине метае­мого элемента, вместе с тем происходит изменение угла со­ударения γ и, как следствие, изменение скорости υ_к.

Действие импульсного магнитного поля на метаемый элемент зависит от длины и числа витков индуктора; на­пряжения разряда, емкости батареи конденсаторов, энергии разряда, индуктивности и активного сопротивления разряд­ного контура; площади внутренней поверхности индуктора в поперечном сечении и др.

При магнитно-импульсной сварке воздействие маг­нитного поля на ускоряемую заготовку ограничено време­нем ее перемещения до встречи с неподвижной сваривае­мой поверхностью. В течение этого времени метаемому элементу передается вся энергия, необходимая для сварки. Вследствие малого времени ускорения заготовки возникает необходимость повышения мощности разряда, однако при этом возникают ограничения, связанные с прочностью ин­дукторов, воспринимающих те же давления, что и дефор­мируемая заготовка, и его нагревом при большой плотности тока.

Индукторы обычно состоят из токопроводящей спи­рали, токоподводов, изоляции и элементов механического усиления. Главный элемент индуктора - токоподводящая одно- или многовитковая спираль - служит для образования импульсного магнитного поля с заданными параметрами. Форма рабочей поверхности спирали с эквидистантным за­зором повторяет форму исходной заготовки.

Одновитковые индукторы значительно прочнее и проще в изготовлении, чем многовитковые. Однако вслед­ствие их малой индуктивности необходимо использовать более сложную высокочастотную магнитно-импульсную установку. Спирали индукторов могут быть навиты из ши­ны или выточены из цельной заготовки. Применяются и ох­лаждаемые индукторы, у которых охлаждающая среда про­пускается через специальные каналы.

Стойкость индуктора зависит от качества применяе­мой изоляции, которую можно разделить на главную (изо­лирующую индуктор от заготовки) и межвитковую. В каче­стве изоляции используют армированный стеклопластик, пропитанный, например, эпоксидной смолой, пленки поли­этилена, фторопласта, лавсана и др.

Индукторы изготавливают из меди и ее сплавов, наиболее перспективным материалом индукторов для полу­чения сверхсильных полей является тантал.

Ограниченные размеры и прочность индукторов не позволяют применять магнитно-импульсную сварку для по­лучения соединений большой площади. Целесообразной областью применения этого способа является получение всевозможных соединений трубчатых деталей между собой и с другими деталями, а также плоских деталей по наруж­ному и внутреннему контуру. Магнитно-импульсным спо­собом можно сваривать практически любые материалы в однородном и разнородном сочетаниях. Диапазон толщин метаемых деталей составляет 0,5-2,5 мм.

В приборостроении, авиационной и космической промыш­ленности широко применяют тонкостенные оболочковые детали (рис. 4.3). Традиционными многопереходными мето­дами штамповки тонколис­товых материалов получить данные детали затруднитель­но, а иногда и вообще невоз­можно. Применение пайки требует использования доро­гостоящей оснастки и дефи­цитных припоев. Трудоемкая дорогостоящая оснастка не­обходима также для жестко­го позиционирования при контактной и лазерной свар­ке тонколистовых деталей сравнительно простой формы. Для Формовки и сварки тонколистовых деталей такого типа ус­пешно используют энергию импульсных полей.

Рис. 4.3. Примеры сварных обо­лочковых конструкций

Принципиальная схема совмещенного процесса контактной сварки-формовки (МИКСФ) приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Принципиальная схема МИКСФ:

Р — разрядник; В — выпрямитель; С — конденсатор; Тр — трансфор­матор; 1 — фольга; 2 — матрица; 3 — индуктор

Сущность комбинированного процесса заключается в сле­дующем. Фольгу 1, свернутую с образованием нахлесточного соединения, устанавливают в диэлектрическую разъемную матрицу 2, имеющую форму будущего изделия. Внутри заготовки расположен рабочий инструмент — индуктор 3. В процессе раз­ряда емкостной батареи конденсаторов по виткам протекает ин­дуцированный ток I_и, направление линий которого в первый полупериод обозначено на схеме символами (+) и (•). Пере­менный магнитный поток этого тока обусловливает вихревые токи I_и в заготовке. Силовые линии индуцированного тока I_и направлены по периметру заготовки (рис. 4.5). Поэтому при прохождении его через нахлесточное соединение оболочки вы­деляется джоулева теплота.

Рис. 4.5. Фрагмент нахлесточного соединения:

1 — матрица; 2 — заготовка; 3 — места оплавления; 4 — индуктор

При определенных значениях вихревых токов происхо­дит подплавление сопрягаемых поверхностей соединения. В то же время взаимодействие магнитного поля индуктора с вихревыми токами в оболочке приводит к возникновению магнитного давления по всей ее поверхности. В результате совместного воздействия давления и теплоты с подплавлением сопрягаемых поверхностей образуется сварное соеди­нение по типу контактной электрической сварки с оплавле­нием сопрягаемых поверхностей. Одновременно со сваркой идет формовка заданного из­делия в соответствии с конфи­гурацией матрицы.

В процессе формообразова­ния предварительно сжатые по­верхности нахлесточного соеди­нения сдвигаются одна относи­тельно другой. В результате разрушаются сплошности ок­сидной пленки, что способству­ет более надежному сплавлению свариваемых поверхностей.

Комбинированный процесс сварки-формовки обладает ря­дом преимуществ по сравнению с традиционными техноло­гиями изготовления оболочковых деталей:

значительно упрощается маршрутная технология за счет ис­ключения ряда операций, при этом детали изготовляют в од­ной установке;

в широком диапазоне и с большей точностью можно регу­лировать (дозировать) подводимую энергию;

процесс легко поддается автоматизации.