Наибольшее практическое значение имеют два процесса: кон­тактная стыковая сварка оплавлением и радиочастотная сварка, в первую очередь, продольных или спиральных швов труб. К этой же группе процессов можно отнести сварку труб продольным швом с нагревом сопротивлением. При этом способе сварки синусоидаль­ное изменение тока промышленной или повышенной (до 300— 360 гц) частоты ведет к периодическому изменению интенсивности тепловыделения и чередованию по длине шва участков, нагретых ниже и выше температуры плавления т. е. участков, сваренных без оплавления и с оплавлением кромок [64J. Сварку с оплавле­нием кромок по всей длине практически осуществить по рассматри­ваемой схеме не удается из-за стекания жидкого металла на пере­гретых участках, нарушения формы шва и снижения его качества.

§ 1. РАДИОЧАСТОТНАЯ СВАРНА

Важнейшая особенность этого процесса связана с постепенным нагревом свариваемых кромок на относительно длинном участке (40 —100 мм в зависимости от их толщины) от точки схождения кромок до токоподводящих контактов или индуктора (см. рис. 82). Дополнительный местный нагрев в точке А, вызываемый сгущением линий тока при изменении его направления на 180°, невелик. Благодаря этому случайные местные нарушения процесса, вызываемые загрязнением кромок, заусенцем и т. д., существенно не влияют на конечную температуру в очаге сварки. Это один из факторов, определяющих высокую стабильность качества соедине­ний при радиочастотной сварке.

Принципиально возможны три технологических варианта ра­диочастотной сварки стальных труб (рис. 83) [51]:

1. Кромки нагреваются ниже температуры плавления ме­талла Тпл. м, но выше Тп, оК окисла. Жидкие окислы выдавли­ваются из соединения при относительно высоком давлении (около

5 кГ/мм5). Значительная обаДкй прйЬодит к образованию снаружи и внутри трубы гладкого, но высокого валика грата. Процесс применим только для труб из стали с содержанием до 0,25% С, для которой температура солидуса выше точки плавления эвтек­тики Fe—FeO. Он нетипичен для радиочастотной сварки, важней­шее преимущество которой — возможность получения на кромках пленки расплавленного металла. Узкий температурный диапазон (ТпЛш м > Тсв > Тпл, ок) снижает стабильность результатов. Прак­тически этот вариант технологии не применяется.

2. При подходе к точке А кромки не оплавлены и оплавляются только в результате тепловыделения в этом месте. Удаление окислов облегчается, так как они вытесняются из стыка вместе с оплавлен­ным металлом во время осадки, осуществляемой при относительно низком удельном давлении (2—3 кПммі).

3. Кромки оплавляются еще до их схождения. Между кромками образуются перемычки расплавленного металла, создающие более короткий путь для протекающего вдоль кромок тока (51 ]. Высокая плотность тока в перемычке приводит к ее чрезвычайно быстрому нагреву и взрывообразному разрушению с выбрасыванием частиц жидкого металла (рис. 84, а)

и пбпячппяинрдд и С т^Гігтдді/ 51V

I

I

4uviwmvit ей (ip ive up /HVlVlUV/UliUlil

стальных труб:

кромок:

а — момент разрушения перемычки расплав­ленного металла; б — образование кратера на кромках после разрушения перемычки [51]

кратера (рис. 84, б). При таком процессе для сварки нелегирован - ной стали давление осадки составляет 2—3 кГІмм2.

При сварке труб из низкоуглеродистой или низколегированной стали, для которых Тпл. м 5> Тпл. оК, целесообразно применение второго варианта процесса, так как при нем по сравнению с третьим вариантом несколько меньше грат и снижается потребляемая мощ­ность.

Для сварки труб из сталей, образующих тугоплавкие окислы (например, аустенитных сталей), а также цветных металлов, окислы которых очень тугоплавки (например, А1203), применим только третий вариант процесса.

Интересно проанализировать, при каких условиях радиочас­тотной сварки на поверхности расплавленного слоя металла воз­можно образование обособленной пленки окисла (твердого или жидкого). За время tt = llvce (где I—длина участка нагрева) на стали образуется окалина толщиной Апл с содержанием кис­лорода на единицу поверхности

ёо, = &плуплС,1Л,

где Упл — плотность пленки, для вюстита на низкоуглеродистой стали она равна 5,6 г/см3;

спл — весовое содержание кислорода; для вюстита — 23%.

Если образуется пленка расплавленного металла толщиной Д*, то предельное содержание кислорода, растворенного в этой пленке, составит

ёО, — ^мумСш

где ум — плотность стали;

см — предельная растворимость в ней кислорода; см 0,2% .при температуре плавления.

Пленка окислов образуется при g'Q >£о,- В частном случае при vC3 = 50 м! мин и / = 50 мм tt — 0,06 сек и для средней тем­пературы 1200° С толщина пленки, рассчитанная по константе скорости окисления, составит 1,4-10“3 см. Этому соответствует g'0 = 1,8 • 10~3. При пленке расплавленного металла толщиной 0,1 мм g0i — 15,7 • 10“® е/сж^/Таким образом, количество кисло­рода в окисной пленке на порядок больше, чем в металле при его насыщении. Отсюда следует, что окислы на железе в условиях радиочастотной сварки должны образовывать самостоятельную фазу, хотя в случае возникновения легкоплавких окислов воз­можно образование смеси жидкого металла и окислов. При очень малой растворимости кислорода в металле (например, у алю­миния) окислы выделяются в виде обособленной фазы.

При образовании тугоплавких окислов, например FeCr>04 на аустенитной стали, даже в случае благоприятного соотношения толщин слоев расплавленного металла и окисла, допускающего полное растворение в металле кислорода окалины, растворение

9 А. С. Гельман 129 твердых окислов в жидком металле может не завершиться из-за быстрого затвердевания расплавленного металла.

В результате очень кратковременного существования слоя рас­плавленного металла растворенный в нем кислород не успевает заметно продиффундировать в глубь твердого металла, что способ­ствует получению соединений высокого качества.

Как правило, с увеличением скорости радиочастотной сварки, иногда превышающей 60 мімин, качество соединений улучшается, что связано с уменьшением длительности контакта нагреваемых кромок с воздухом и с большей концентрацией пластической дефор­мации в стыке. Следует отметить, что сварка с оплавлением при узкой зоне нагрева дает хорошие результаты только при ровной поверхности оплавленных кромок. Глубокие кратеры на торцах, как, например, при стыковой сварке оплавлением, могут быть за­крыты при осадке на относительно большую величину, что очень сложно при чрезмерно узкой зоне нагрева.

Увеличение скорости сварки труб из низкоуглеродистой стали от 20 до 60 мімин, несмотря на появление в стыке твердых струк­турных составляющих, не вызывает охрупчивания соединения ^следствие очень узкой зоны термического влияния (при vce —

— 60 мімин она не превышает 0,2—0,3 мм) [51 ]. При vct —

— 20 мімин в соединении наблюдается феррит, включения троос - тита и сетка видманштеттовой структуры, с увеличением скорости до АО мімин исчезает видманштеттова структура и появляется мар­тенсит твердостью до 51.0 кПмм2. При vce — 60 мімин количество мартенсита резко увеличивается.

Принципиально важно, что в процессе сварки с оплавлением кромок степень деформации при осадке определяется выдавлива­нием расплавленного металла и выравниванием соединяемых по­верхностей, а не условиями разрушения окисных пленок, как это требуется при сварке без оплавления (сопротивлением). Например, при радиочастотной сварке труб из низкоуглеродистой стали с тол­щиной стенки до 3 мм высота валика грата составляет 0,1—0,4 мм [48], что соответствует коэффициенту площади knJl = 1,07-ь 1,27. Для стыковой сварки сопротивлением стали без специальной защиты необходимо, чтобы kn/l ^ 5.