Находят применение сварочные процессы с кондукционным и индукционным подводом тока. В первом случае нагреваемое изделие включено непосредственно в цепь высокочастотного гене­ратора (машинного с частотой 2,5 или 8 кгц, лампового —70 или 450 кгц) через токоподводящие контакты; во втором случае изделие нагревается замыкающимися в нем вихревыми токами, наводи­мыми магнитным полем, создаваемым близко расположенным к из­делию индуктором, подключенным к генератору т. в. ч. В обоих случаях нагрев т. в. ч. характеризуется значительной неравномер­ностью, вызванной неравномерным распределением плотности тока по сечению проводника в результате поверхностного эффекта, эффекта близости и катушечного (или кольцевого) эффекта.'

При протекании тока частотой / в уединенном проводнике с удельной электропроводностью у и магнитной проницаемостью р, плотность тока / распределяется в нем по экспоненциальному закону. Степень неравномерности тока тем выше, чем меньше так

называемая глубина проникания тока Л

щая расстоянию от поверхности проводника до точки, в которой /' снижается в е раз.

Распределение напряженности поля -=^~ (у в любой точке про-

Ет. о

порциональна Ет) для шины толщиной 2 а в зависимости от без-

2а _.

размерного параметра - д - показано на рис. 74, а для случая,

когда р не зависит от у [48]. Для ферромагнитных материалов р существенно зависит от у. Для любых металлов и сплавов с по­вышением температуры падает удельная проводимость, а следо­вательно растет А. Особенно заметно влияние температуры у ста­лей, претерпевающих при нагреве магнитное превращение. На­грев выше точки Кюри резко уменьшает р, что наряду с падением у существенно увеличивает глубину проникновения тока и умень­шает поверхностный эффект. Во всех случаях увеличение частоты / ведет к уменьшению А и большей неравномерности распределе­ния тока.

При протекании прямого и обратного токов по двум близко расположенным проводникам проявляется эффект близости: ток по периметру проводников распределяется неравномерно, его плотность в близлежащих точках проводников максимальная, а в наиболее удаленных — минимальная. Чем меньше расстояние между осями проводников 2R и чем больше радиус сечения про­водника г, тем сильнее проявляется эффект близости. Отношение максимальной плотности тока /тах к минимальной /т1п равно:

•/пик _ R + г (20)

/min R г

Например, при R — 2 см и г — 1 см это отношение равно 3.

Рис. 75. Вихревые токи в пластине, помещенной в со-
леноид и параллельной индуктору

Если линейный проводник с радиусом г —> 0 располагается на расстоянии h от поверхности плоского токопроводящего тела не­ограниченной ширины, то распределение плотности тока на этой

поверхности, пропорциональное величине

зависеть от h (рис. 74, б): чем меньше h, тем резче проявляется эффект близости и тем уже зона с высокой плотностью тока. Кату­шечный эффект состоит в том, что при обтекании соленоида пере­менный ток сосредоточивается на его внутренней поверхности.

Тепловыделение в проводнике пропорционально квадрату плот­ности тока; поэтому при быстропротекающих сварочных процес­сах, когда теплопередача не оказывает решающего влияния па температурное поле, степень неравномерности нагрева может быть значительно выше, чем неравномерность /.

Если поместить проводящее тело в переменное магнитное поле соленоида или расположить его рядом с индуктором (рис. 75), включенным в цепь переменного тока, то в этом теле индуктируются замкнутые в нем вихревые токи обратного направления (по отноше­нию к току в индукторе). Как и при кондукционной схеме вклю­чения, здесь появятся эффекты, способствующие сосредоточе­нию тока у поверхности проводника и в зонах, близких к ин­дуктору.

В связи со значительной неравномерностью распределения тока высокочастотный нагрев плохо приспособлен для сварки де­талей большого диаметра и толстостенных труб. Продолжитель­ность нагрева обычным кольцевым индуктором, при которой пере­пад температуры между поверхностью и сердцевиной стержня из низкоуглеродистой стали не превышает 100° С, очень велика (рис. 76) и заметно растет с увеличением частоты [48]. Например, для стержня диаметром 60 им это время составляет при / = 1000, 2500 и 8000 гц соответственно 55, 100 и 165 сек.

Рассмотрим подробнее особенности высокочастотного нагрева при сварке встык труб. В этом случае ограниченная глубина
проникновения тока должна сказаться меньше, чем при нагреве деталей сплошного сечения. Эксперименты проводили на трубах из перлитной стали (12Х1МФ) диаметром 32 мм с толщиной стенки до 6 мм, нагреваемых кольцевым индуктором [137]. Даже при идеальной соосности индуктора и трубы нагрев зоны сварки не­равномерен (рис. 77, а): а) по толщине стенки — в результате совместного действия поверхностного эффекта и эффекта близости; б) вдоль образующей трубы — из-за эффекта близости и в) по периметру трубы — вследствие зазора Д между прямой и обратной ветвями индуктора.

Неравномерный нагрев вдоль оси трубы способствует получе­нию прочного соединения с незначительной деформацией металла внутрь (при сварке труб очень важно сохранение проходного отверстия) благодаря концентрации пластической деформации при осадке в узкой зоне. Неравномерный нагрев по толщине стенки (ATj) и в особенности по ее периметру (ДТ2), наоборот, затрудняет сварку.

Наиболее эффективно воздействует на распределение темпера­туры вдоль трубы изменение частоты: с ее увеличением зона интен­сивного нагрева уменьшается. Например (рис. 77, б), для сварки труб диаметром 25—42 мм целесообразнее использовать ток час­тотой 8000 гц, чем 2500 гц. Изменение ширины Ь индуктирующего провода не позволяет существенно сузить зону нагрева, так как при уменьшении Ъ от 14 до 6 мм ширина зоны нагрева до 800° С изменяется всего на 2 лШ; практически малая ширина индуктора

затрудняет его охлаждение, и он стано­вится ненадежным в работе.

Влияние зазора Д (см. рис. 77, а) можно уменьшить рациональной кон­струкцией индуктора. Так, если при нагреве индуктором, согнутым из про­филированной медной трубки (Д==3 мм) ЛТ2 — 70° С, то при использовании точеного индуктора (Д = 1 -5-І,5 мм) АТ2 5=^ 45° С. Индуктор с железным сердечником давал в аналогичных усло­виях ДТ2 = 20° С.

Исходя из общих закономерностей распределения тока в результате эффек­та близости (см. рис. 74, б) уменьшение расстояния от индуктора до нагревае­мой поверхности (а в случае нагрева трубы кольцевым индуктором — умень­шение зазора между индуктором и тру­бой) приводит к большему сосредоточе­нию тока у оси индуктора и соответст­венно к сужению зоны интенсивного

Hat-рёва (рис. 77, в). Однако зазор менее б—7 мм при сварке труб (диаметром 32 мм) практически неприемлем по двум причинам: во - первых, неизбежное взаимное смещение осей трубы и индуктора (в пределах до 1 мм) при малом зазоре приводит к резкому изме­нению условий нагрева по периметру трубы (при среднем зазоре 4 мм нагрев стыка из-за смещения осей на I мм сопровождается перепадом температуры более 100°, при зазоре 7 мм в этих же условиях перепад не превышает 50°) и, во-вторых, увеличение диаметра трубы в стыке в процессе осадки приводит к резкому перегреву и подплавлению поверхностных слоев высаженного металла, а иногда и короткому замыканию с индуктором.

Перепад температуры по толщине стенки трубы (Л7, см. рис. 77, а) в плоскости стыка, совпадающей с осью индуктора, растет с увеличением толщины стенки и с уменьшением зазора между индуктором и поверхностью трубы (рис. 78); замедление процесса в результате теплопередачи приводит к более равномер­ному нагреву стыка. Достаточно равномерный нагрев стыка труб диаметром 32 мм с толщиной стенки 3,5—4 мм достигается за 5—

а — схема распределения теипературы; б — температурное
поле вдоль оси труб при нагреве током 2500 гц (7) и 8000 гц (2);
в — температурное поле вдоль оси труб 32 мм при зазоре
между индуктором и трубой 7 мм (/) и 4 мм (2) [137]

б сек, с увеличением ее толщины доблш для этого уже требуется около 20 сек. Очень характерно распределение темпе­ратуры вдоль оси трубы по наружной и внутренней ее поверхностям (рис. 79, а). Градиент температуры на внутренней поверхности больше, и как следствие, в прилегающей к стыку зоне перепад температуры по толщине стенки трубы оказывается выше, чем непосредственно в плоскости стыка. Это хорошо иллю­стрируется схемой изотерм на рис. 79, б.

Существенно, что при сварке встык с нагревом т. в. ч., в частности труб, некоторое различие сечения стыкуемых элементов не оказывает такого неблаго­приятного влияния на условия нагрева, как при сварке сопротивлением, когда нагреваемые детали включаются в сва­рочную цепь последовательно и разли­чие их сечений приводит к соответ­

греву с относительно легко регулируемым градиентом температуры (вдоль оси трубы). Эти условия особенно благоприятны для сварки труб — большой градиент температуры на внутренней поверхно­сти (см. рис. 79, б) приводит к предпочтительной деформации во внешнем направлении и к сохранению проходного отверстия

в стыке.

Основные трудности при сварке с нагревом т. в. ч. без оплав­ления и защиты связаны с окислением нагреваемых торцов. Ин-

*С 1000 750 500

Рис. 79. Распределение температуры по образующей трубы на ее наружной и внутренней поверхностях (а) и схема изотерм к концу нагрева (током8000гц) и осадки труб размером 32X6 мм (б) [137]

Аукционный нагрев затрудняет разрушение окислов в стыке путем деформации со значительным коэффициентом кпл, так как это воз­можно только при большом зазоре между индуктором и сваривае­мым изделием, делающим процесс неэффективным. Делались попытки преодолеть эти трудности при сварке перлитной стали нагревом выше температуры плавления эвтектики Fe—FeO (1370° С) с ее вытеснением из стыка при осадке (см. рис. 50, Б) [48]. В этих опытах на трубах из стали 20 размером 32X3 мм по­лучили следующие результаты испытаний на растяжение и изгиб соединений, сваренных на воздухе.

Тсв в °С............................................................... 1080 1200 1280 1380

рос в кГ/мм2 ........................................................... 8 7 6 4,5

Количество стыков с удовлетворитель­ными механическими свойствами в % 25 45 50 100

Нагрев стали до температуры, близкой к солидусу, сопровож­дался значительным ростом зерна с образованием видманштеттовой структуры. Особенно неблагоприятно то, что неизбежный пере­грев выше температуры солидуса сопровождается частичным оплав­лением зерен в околостыковой зоне и появлением усадочных дефектов (рыхлот, раковин, рис. 80), недопустимых в соединениях труб ответственного назначения. При толщине стенки труб 5—6 мм применение нагрева до температуры, близкой к солидусу, исклю­чается в связи с неизбежным большим перепадом температуры по сечению и широкой зоной нагрева.

Нагрев т. в. ч. широко используется в изготовлении сварных труб с прямым, а иногда со спиральным швом. Применяются две принципиально отличающихся схемы: так называемая индукцион­ная сварка и радиочастотная сварка (в индукционном или кондук- ционном вариантах). При индукционной сварке сформованную из ленты (обычно из низкоуглеродистой стали) трубную заготовку 1 пропускают в специальном стане под индуктором (рис. 81), соеди­ненным с генератором частотой 2,5 или 8 кгц. В трубной заготовке возникают вихревые токи, мгновенное направление которых по­казано на схеме. Эти токи, протекающие вдоль обеих кромок в од­ном и том же направлении, нагревают их, а расположенные за ин­дуктором ролики сжимают заготовку силами Р и завершают сварку при осадке на величину (0,5 - г-1,0)6 (б — толщина стенки трубы). В такой схеме эффект близости проявляется только между противоположно направленными токами в индукторе и трубе; вихревые токи, протекающие вдоль сваривамых кромок в одном на­правлении, под действием эффекта близости не стягивается, а, на­оборот, отталкиваются. В результате этого, а также теплопередачи кромки прогреваются на относительно большую ширину и пре­дельная их температура не должна превышать солидуса (иначе мо­гут выплавляться большие объемы металла с образованием про­жогов). Хотя скорость индукционной сварки, как правило, до­стигает 30—45 м/мин, из-за большого расстояния от места начала нагрева до оси сжимающих роликов нагреваемые кромки 1—2 сек контактируют с воздухом. При высокой температуре этого времени достаточно для образования сравнительно толстого слоя окислов. Поэтому для получения труб с. приемлемыми свойствами при­меняют высокотемпературный нагрев (до 1370—1450° С) и удель­ное давление 4—5 кГ/мм2. Удовлетворительная сварка этим спо­собом труб из легированных сталей (если на них образуются более тугоплавкие окислы, чем FeO), а также труб из цветных металлов, окислы которых всегда относительно тугоплавки, невыполнима.

При радиочастотной сварке как по кондукционной (рис. 82, а), так и по индукционной схеме (рис. 82, б) направление тока 1св в кромках трубы противоположное (рис. 82, в). В связи с этим эффект близости приводит к концентрации тока на поверхности кромок тем большей, чем выше частота /. Применение токов радио­частоты (/ — 450 кгц) даже при нагреве выше точки Кюри (для ферромагнитной стали) дает очень малую глубину проникновения тока за счет поверхностного эффекта (Д ^ 0,7 мм). Эффект близо­сти дополнительно уменьшает толщину интенсивно нагреваемого металла, и при рационально выбранных параметрах процесс удается вести с образованием на кромках вблизи точки их схожде­ния А тонкой пленки оплавленного металла. При сварке труб из ферромагнитной стали на участке, нагретом ниже точки Кюри, глубина проникновения тока (см. рис. 82, в) значительно меньше, чем там, где металл прошел магнитное превращение (участок 12). Сварка токами радиочастоты в большинстве случаев идет с оплав­лением кромок.

Итак, условия получения соединения с высокими механиче­скими свойствами при сварке в твердом состоянии без оплавления и без защиты от окисления (равномерный нагрев в узком темпера­турном интервале, значительная и, по возможности, направленная деформация) достаточно полно удовлетворяются только при прес­совой сварке (с общим нагревом). При стыковой сварке сопротив­лением трудно обеспечить равномерный нагрев, хотя специальная подготовка торцов облегчает решение этой задачи. Возможность большой, направленной деформации с принудительным формиро­ванием соединения по существу ограничивается только парамет­рами используемого оборудования, хотя в частном случае сварки встык труб необходимость сохранения проходного отверстия резко ограничивает допустимую степень деформации.

Основная трудность стыковой сварки с нагревом т. в. ч., во всяком случае сварки труб встык, связана не столько с неравно­мерностью нагрева (кольцевой индуктор может обеспечить удов­летворительные условия нагрева), сколько с невозможностью разрушения окислов в стыке из-за ограниченной деформации при осадке.

При сварке без оплавления и без защиты, как правило, значи­тельно труднее обеспечить стабильное качество соединений, чем при сварке с оплавлением или без оплавления, но с защитой от окисления. Этим, по существу, и определяются перспективы при­менения рассматриваемых процессов.