Исходя из современных представлений о сварке металлов, процессы высокочастотной сварки можно разделить на три группы.

1. Сварка давлением с оплавлением. Осуществляется при пред­варительном нагреве и местном расплавлении свариваемых по­верхностей. Расплавленный металл удаляется из зоны соедине­ния при осадке; сварное соединение образуется между поверх­ностями, находящимися в твердом состоянии. Скорость нагрева достигает 150-103 °С/с; осадка — 0,15—1,5 мм; скорость осадки — 2000 мм/с.

2. Сварка давлением без оплавления. Осуществляется с пред­варительным нагревом свариваемых поверхностей до температуры ниже точки плавления свариваемого металла. Скорость нагрева не превышает 400 °С/с; осадка — 2,5—6,0 мм; скорость осадки — 20 мм/с.

3. Сварка плавлением без давления. Осуществляется при нагреве свариваемых элементов до оплавления. Ванна расплав­ленного металла застывает, образуя сварной шов без приложения давления. Скорость нагрева доходит до 8000 °С/с.

Сварка давлением с оплавлением. Этот процесс наиболее широко распространен при производстве сварных изделий и полуфабрика­тов с непрерывным швом из черных и цветных металлов. Схема
свариваемых элементов представлена на рис. 7 и 8. Свариваемые элементы, показанные на рис. 8, а, имеют одинаковые геометри­ческие размеры и материал и расположены симметрично относи­тельно вертикальной плоскости. При симметричном подводе тока к свариваемым элементам обеспечивается полная идентичность нагрева. Такую схему будем называть симметричной. Когда сва­риваемые элементы имеют неодинаковую геометрию (рис. 8, б), даже при симметричном подводе тока к элементам плотность тока на них неодинакова. Различны и условия теплоотвода. Обес­печить одинаковый нагрев обоих элементов без принятия специаль­ных мер невозможно. Такую схему будем называть несимметрич­ной. При сварке элементов с различными теплофизическими свой­ствами схема, приведенная на

Подпись: рис. 8, а, будет также метричной.Подпись:несим-

Механизм процесса высокочастотной сварки

Рис. 8. Схемы свариваемых элемен­тов: а — симметричная; б — несим­метричная

В рассматриваемых схемах оба элемента сходятся под углом а, на некотором расстоянии от места схождения к элементам подается ток с помощью контактной или индукционной систем, кромки разогреваются и оплавляются, в месте их схождения происходит осадка. Нагрев и деформация свариваемых элементов происходят последовательно. Для осуществления сварки необходимы физи­ческий контакт между поверхностями, создание на них активных центров и предупреждение возможности разрушения образовав­шихся узлов схватывания после снятия давления осадки [5]. Нагрев активно влияет на все стадии процесса, и поэтому целе­сообразно рассмотреть его подробно.

Расстояние от места токоподвода до места схождения кромок обычно лежит в пределах от 25 до 300 мм. На этом отрезке осу­ществляется нагрев свариваемых элементов до заданной темпе­ратуры. Возможны три варианта нагрева.

1. Участки свариваемых элементов до места схождения нагре­ваются до температуры ниже Тпл, а вследствие электромагнитных явлений, описанных в гл. I, наибольшая концентрация тока дости­гается в месте схождения свариваемых элементов, где они оплав­ляются. Температура в этом месте может достигать (1,1-ь 1,2) Тпл.

2. Участки свариваемых элементов оплавляются до места схождения. Воздействием механических сил электромагнитного ноля расплавленный металл удаляется с поверхности нагревае­мых элементов. На расстоянии от места выброса расплавленного металла до места схождения элементов происходит дальнейший пх нагрев, а в месте перехода с одного элемента на другой — повторное оплавление. Как и в первом варианте, температура в месте перехода может достигать (1,1ч-1,2) Тпл.

3. Свариваемые элементы нагреваются на всем протяжении ниже Тпл, включая и место схождения.

Подпись:В рассматриваемом процессе нагрев снижает сопротивление пластической деформации, повышает пластичность металла и облегчает удаление окислов со свариваемых поверхностей. Сопро­тивление пластической деформа-

Механизм процесса высокочастотной сварки

1 ?

Рис. 9. Оплавление свариваемых поверхностей при стыковой сварке:

/ — перемычка; 2 — оплавленные по­верхности

ции растет с увеличением ее скорости при всех температурах и зависит от ее абсолютной величины. При определенных усло­виях это оказывает существенное влияние на усилия осадки.

Как было показано выше, при высоких градиентах температур­ного поля нагрев носит чисто поверхностный характер, однако он осуществляется за счет пропускания тока по свариваемым элементам. Плотность тока равномерна по сечению, а глубина прогрева регулируется частотой тока источника питания, расстоя­нием между свариваемыми элементами (эффект близости) и време­нем нагрева. В этом отношении условия высокочастотного нагрева значительно отличаются от условий нагрева при стыковой сварке оплавлением, которая по существующей классификации отно­сится к виду сварки давлением с оплавлением [51. При стыковой сварке оплавлением нагреваются свариваемые поверхности за счет тепловыделения в контактных перемычках (85—90% тепла), в результате чего получается неравномерный нагрев свариваемых поверхностей. Выравнивание температуры происходит во времени при росте количества перемычек, пока свариваемые поверхности не покроются слоем расплавленного металла (рис. 9).

Весьма существенную роль в рассматриваемых схемах нагрева играет удаление со свариваемых поверхностей окислов, образовав­
шихся за время, предшествующее сварке (при хранении, транс­портировке), и появляющихся в ходе нагрева. Все металлы за исключением золота на воздухе окисляются, создавая на поверх­ности тонкие окисные пленки. Толщина пленки зависит от вре­мени окисления. Как видно из рис. 10, толщина окисленного слоя при комнатной температуре через несколько минут достигает определенной величины и в дальнейшем ее рост практически прекращается. Более сложный характер имеет образование окис — ных пленок с ростом температуры. Для меди, например, скорость окисления при 1000° С на четыре порядка выше, чем при 600° С. Известны случаи, когда скорость окисления снижается с ростом температуры, например у кадмия, ниобия [15].

Иногда образуются многослойные пленки. При этом на по­верхности металла появляется слой окисла, богатого металлом [5, 15]. Например, окисление железа при температуре выше 600° С сопровождается образованием трехслойного окисла FeO- Fe304-Fe203. Соотношение окислов (в массовых долях) при Т = = 700-ъ900°С составляет: 0,66—1,0% Fe203, 4,1—5,0% Fe304 и около 95% FeO.

Еще более сложную картину представляет образование с ро­стом температуры окисных пленок на сплавах. Так, сплав, со­стоящий из 23% Сг, 7,5% А1 и 69,5% Fe, после окисления на воздухе при Т = 1200° С имел окисную пленку, состоящую из 94,5% А1203, 3,4% Сг203 и 2% Fe203. На чисто хромистых ста­лях (20% Сг) при нагреве в слабо окислительной атмосфере окис­ная пленка состояла из 80% Сг203. С точки зрения возможности разрушения окисных пленок важно иметь представление об их теплофизических и механических свойствах. В табл. 11 приведены свойства металлов и окислов.

Представим себе механизм разрушения окисных пленок при рассматриваемых вариантах нагрева. В первом варианте, когда оплавление происходит в месте схождения свариваемых элементов при достижении температуры, равной (1,1-і-1,2) Тпл, невозможно расплавление окислов. Исключением являются FeO и Fe203. Можно представить, что тонкие пленки окислов быстро разогре­ваются за счет теплопроводности от сравнительно большого объема контактируемого металла (стартовый нагрев). Далее электри­ческое сопротивление пленок окислов быстро падает и они начи­нают разогреваться прямым пропусканием тока. В таком случае можно ожидать расплавления пленок окислов, например Fe304, имеющих большую температуру плавления, нежели основной металл. Окислы, имеющие высокую температуру плавления, лишь подогреваются, но не расплавляются. Изучением этого явления никто не занимался, и поэтому сказанное следует рас­сматривать как гипотезу.

При втором варианте нагрева, когда оплавление свариваемых элементов происходит до места их схождения и расплавленный металл удаляется со свариваемых поверхностей механическими

электромагнитного ноля, вероятно разрушение окисных пленок при выбросе металла. В результате повторного нагрева участков свариваемых элементов до места схождения они вновь окисляются, но из-за малого времени подогрева (не более 0,01 с) толщина вновь образовавшейся окисной пленки мала и она может быть разрушена или удалена вместе с жидким металлом в про­цессе осадки.

Подпись:При третьем варианте нагрева, когда свариваемые поверх­ности на всем протяжении, включая место схождения, нагре­ваются ниже 7’Г1Л, очевидно нельзя ожидать разрушения окисных пле­нок. Исключение может состав­лять только FeO. Из сказанного следует, что наиболее универ­сальным является второй вариант нагрева, так как при нем обе­спечивается разогрев свариваемых элементов до необходимой темпе­ратуры и очистка их от окислов, в том числе тугоплавких. Первый вариант нагрева целесообразно применять при сварке малоуг­леродистых и малолегированных сталей, на которых окисные плен­ки состоят из Fe0-Fe203-Fe304. Третий вариант нагрева приме­няется редко.

Вслед за подготовительной фа­зой’образования сварного соеди­нения’—’нагревом происходит осадка и формирование сварного шва. Для рассмотрения первого основного параметра осадки — скорости (п0с) обратимся к схе­ме, изображенной на рис. 11. На схеме показана полная длина контакта свариваемых элемен­тов /к, состоящая из зон осадки 10с, редуцирования /р (в случае сварки прямошовных труб и оболочек) и термомеханического упрочнения. Установлено, что при сварке наиболее распростра­ненных изделий и материалов полная длина контакта 1К в 1,5— 4 раза превышает /0с, величина которой колеблется в пределах

1,5— 2,5 мм [20]. Эта зона увеличивается с ростом толщины свариваемых элементов и увеличением абсолютной величины осадки Аос. При наиболее распространенных скоростях сварки (0,5—2 м/с) скорость осадки находится в пределах 20—2000 мм/с. Для получения качественного сварного соединения необходимо, чтобы весь оплавленный металл, имеющийся в месте схождения свариваемых элементов, был удален при осадке. Этого можно
дибиться при условии, что скорость осадки будет достаточной и нпгиллнленный металл не потеряет свойства жидкотекуччести. Интервал времени At(), достаточный для охлаждения металла от Н’мпературы 7 (в месте схождения элементов) до температуры інмери жидкотекучести Тг, при стыковой сварке с непрерывным оплавлением можно определить по данным работы [51. При і пирке алюминиевого сплава

Д *„ = бру [с (7 — Т2) + ш01/ [X (dTIdx) ], (24)

і де бр — толщина жидкого металла в месте схождения сваривае­мых элементов; у, с и т0 — плотность, теплоемкость и скрытая геолога плавления свариваемого металла; dTIdx — градиент тем­пературы на единицу длины в поперечном сечении свариваемых моментов.

Очевидно, для гарантированного удаления при осадке жидкого металла, а следовательно, и окислов нужно, чтобы время осадки Л/ было меньше At0 (а оно тем меньше, чем меньше бр и Тг—Т2 и больше dTIdx). Примем для расчета бр = 0,14 мм, т. е. равную глубине проникновения тока в алюминий при Т = 600° С и f = 440 кГц, Тх = 1,1 Тпл = 700° С. Определим Д^0, исходя из интервала кристаллизации сплавов, который может быть разделен на две части:

1) интервал, где выросшие дендриты твердого раствора разде­лены сплошной прослойкой жидкой фазы (жидко-твердое состоя­ние);

2) интервал (ниже температурной границы жидко-твердого состояния), где происходит частичное срастание дендритов и образование из них жесткого скелета с дальнейшим затвердева­нием всей жидкой фазы. Сплав при температуре выше температуры образования кристаллического каркаса, находящийся в жидко­твердом состоянии, обладает повышенной жидкотекучестью. Сле­довательно, можно принять Т2 = Ткр за температуру, при ко­торой происходит переход от жидко-твердого в твердо-жидкое состояние. Эти интервалы температур для некоторых сплавов приведены в табл. 12.

Градиент dTIdx может быть определен при расчете температур­ного поля в зоне охлаждения шва, т. е. на участке от места схож­дения свариваемых элементов и далее при следующих допущениях [20]: 1) источник тепла постоянный и действует в течение вре­мени нагрева; 2) принят экспоненциальный закон распределения плотностей источников тепла; 3) теплофизические характеристики сплава постоянны во времени; 4) теплоотдача с поверхности сва­риваемых кромок за счет излучения и конвекции пренебрежимо мала.

В табл. 13 приведены результаты расчета градиента dTIdx и интервала At0 при различных значениях времени нагрева сва­риваемых элементов /н.

Подпись: Таблиц;! 12. Температурные характеристики алюминиевых сплавов Сплав Интервал плавлення, °С Температура границы жидко-твердого состоя- НИя ^кр* °С Солидус Ликви дус АМГ1 627 652 645 АМГЗ 627 652 636 АМГ6 550 620 593 діб 502 633 — АМІД 643 657 — В95 477 633 582 Подпись: Таблица 13. Результаты расчета градиента температур dTldx и времени осадки Д t0 в зависимости от tVi V с dTldx. °С/мм ДА,-иг8, С 0,03 316 1,54 0,05 248 1,96 0,10 173 2,82

Используя полученные данные, определяем скорость осадки: voc > loz! kt0 = 100-ь500 мм/с. Другими словами, нижние пре­делы скоростей осадки, применяемые при высокочастотной сварке с оплавлением, могут быть недостаточны при сварке металлов и сплавов, температура плавления окислов которых выше Тпл, и для удаления их в процессе осадки нужно значительно повы­шать скорость сварки. Таким образом, имеется минимальная критическая скорость сварки осв-,,,,, ниже которой нельзя полу­чить качественное сварное соединение. Значения ис„.кР для раз­личных практических случаев приведены в табл. 34 и 36 (гл. IV).

При расчете Дt0 по формуле (24) для сплава Діб было при­нято, что 6р равна глубине проникновения в алюминий при 600° С. Примем эти же допущения и при расчете dTldx. Предпо­ложим теперь, что мы взяли источник питания частотой не 440 кГц, как это сделано в расчете, а 8 кГц. Как следует из формулы (8), глубина проникновения при этом должна увеличиваться в 7,5 раз, соответственно уменьшится dTldx, и в конечном итоге существенно увеличится Д/0. Следовательно, применение частоты звукового диапазона или во всяком случае понижение частоты источника питания должно ощутимо расширить возможности способа. Однако при сварке изделий из ферромагнитного материала толщина оплавленного на свариваемых поверхностях слоя 6Р зависит не только от частоты тока, но в значительной степени от времени нагрева и теплопроводности материала. При малых временах tH при f — 440 кГц и/ =8 кГц 6ротличаются незначительно. Ана­логично при этих частотах будут близки dTldx.

На основании сказанного можно сделать второй важный вы­вод: скорость осадки и критическая скорость при высокочастотной сварке с оплавлением слабо зависят от частоты тока источника питания, т. е. сварка может быть осуществлена в широком диапа­зоне частот. При сварке на частотах радиодиапазона величины &св. кр и Д t0 имеют более экстремальный характер, чем при сварке

зо

ini частотах звукового диапазона. Как будет показано в гл. III, но всех устройствах для высокочастотной сварки предусмотрено плавное бесконтактное регулирование режима нагрева и оплавле­нии свариваемых элементов. Регулируя величину оплавления і варнваемых элементов, одновременно увеличивают или умень­шают бр и меняют градиент dTldx.

Следует обратить внимание на картину распределения тока нрп осадке свариваемых элементов. Так как измерение тока в реаль­ных условиях представляет значительные технические трудности, но 1ШИИТВЧ проводились измерения тока на моделях.[2] В каче­стве модели использовалась пластина из немагнитной стали, имеющая продольную щель с параллельными кромками (а = 0). Толщина пластины была 6 мм, длина нагреваемых кромок — 100 мм.

Пропуская по кромкам пластины ток высокой частоты (440 кГц), получают замыкание тока на участке, находящемся за местом схождения. Этот процесс аналогичен процессу замыкания сва­рочного тока через участок, нагретый выше температуры магнит­ных превращений и находящийся в зоне осадки. Контактным сопро­тивлением между кромками пренебрегали. Такая модель позво­ляет непосредственно измерять величину токов, замыкающихся через тело пластины. Для этого на участке, по которому должен замыкаться ток, сделаны узкие прямоугольные отверстия с шагом 10 мм. Через эти отверстия вокруг образовавшихся «мостиков» продевается поясок Роговского, с помощью которого определяют ток. Наличие отверстий не изменяет характера распределения тока /кр. Измеряя ток J последовательно в каждом «мостике», получают кривую распределения плотности тока вдоль сварного шва (рис. 12).

Из графика видно, что на участке пластины, находящемся между местом схождения кромок и осью сварочных валков, рас­пределение тока крайне неравномерно, причем от 10 до 15% полного тока в свариваемых кромках проходит за местом схожде­ния. Картина моделировалась для симметричной системы. Ана­логичная картина распределения тока получена в работе [341. Для несимметричной системы следует ожидать увеличения про­цента полного тока за местом схождения кромок по сравнению с симметричной системой.

Исходя из картины распределения тока, можно утверждать, что при высокочастотной сварке с оплавлением осадка происходит под током. Следовательно, условия формирования сварного соеди­нения и удаление расплавленного металла из зоны шва еще более облегчаются и улучшаются. Осадка под током благоприятствует процессам рекристаллизации и образования общих зерен, что повышает пластичность сварного соединения [51. Это хорошо видно на микроструктуре сварного соединения из малоуглероди­
стой стали, приведенной на рис. 13. Ток при осадке достаточен для практически полной перекристаллизации зоны шва. Месго сварки выделяется только гратом. Микроструктуры шва, пере­ходной зоны и основного металла идентичны. Стандартные методы испытания не выявили каких-либо различий в пластич­ности сварного шва и исходного металла.

Подпись:Рассмотрим второй ос­новной параметр — осад­ку Лос. Для симметричной системы она определяется по методу, приведенному в работе [20],

Лос = {Fn + Ftl)/2d, (25)

где FB и Fu — площади внутреннего и наружного гратов.

На рис. 14 показана схема осадки. Измерения величин FB и FH производились при сварке с нагревом током частотой 440 кГц прямошовных труб из различных материалов с последующим изготовлением микрошлифов. Результаты измерений приведены в табл. 14.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что значения осадки малы для всех материалов, включая алюминий, его сплавы и медь. Для сравнения на рис. 15 приведена зависимость осадки Дос от толщины 2d для стальных полос при непрерывной сварке оплавлением [5]. Кривая свидетельствует о том, что при высоко­частотной сварке оплавлением осадка на порядок меньше, чем при обычной стыковой сварке оплавлением. Аналогичные данные получены и для цветных сплавов. При стыковой сварке металов

Размер труб (диаметр X толщина стенки), мм

Марка

материала

Ско­

рость

свар­

ки,

м/мин

«к

Дос

32X2,5.

Д16

60

0,56

0,85

1,09

0,57

35X1,0

АМГ2

60

0,15

0,18

0,45

0,36

16X1,0

Д16

60

0,09

0,13

0,38

0,20

22X1,5

Д1

60

0,19

0,26

0,43

0,32

19,5X1,0

АД1

60

0,18

0,20

0,49

0,38

19,5X1,0

Ml

60

0,26

0,30

0,52

0,56

16X1,5

Сталь 10

60

0,12

0,14

0,33

0,18

25X1,5

1Х18Н9Т

60

0,32

0,40

0,78

0,48

Подпись: Рис. 14. Схема определения осадки Дос Подпись: Рис. 15. Зависимость осадки Л0с и времени сварки <св от толщины свариваемых полос 2d

и сплавов с высокой теплопроводностью оплавление ведется с очень большой скоростью, вследствие чего образуются на свари­ваемых поверхностях глубокие кратеры [5]. Кроме того, пред­полагается, что при этом трудно получить на торцах равномерный

слой жидкого металла, и поэтому необходимо механически разру­шить твердые пленки на твердом металле. Все это ведет к большим деформациям, по существу таким же, как при сварке сопротив­лением.

Если эту гипотезу применить к рассматриваемому нами про­цессу и считать, что в результате протекания тока вдоль кромок происходит равномерный монотонный их нагрев и оплавление, то образование кратеров исключено. Это и может служить причиной малой величины Дос. Однако при высокочастотной сварке с оплав­лением возможен неравномерный нагрев свариваемых элементов вследствие возмущений. При исследованиях характера возмущений и их влияния на температурный режим нагреваемых элементов и Аос установлено, что возмущения связаны с нестабильностью

[13] энергетического режима источника питания, работы меха низмов подготовки и осадки свариваемых элементов и качества заготовки.

Наиболее типичными и существенными являются возмущения, обусловленные наличием переменной составляющей на выходе выпрямителя, питающего ламповый генератор, и связанные с этим периодические изменения активной мощности, выделяемой в сва риваемых элементах (случай сварки на частотах радиодиапазона).

Механизм процесса высокочастотной сварки

Рис. 16. Кадры скоростной съемки процесса сварки труб из алюми­ния АД1 (скорость сварки 12 м/мин; скорость съемки 3000 кад­ров в секунду)

На рис. 16 представлены кадры скоростной съемки процесса сварки труб из технического алюминия АД1 толщиной 1 мм при модуляции мощности с / = 150 Гц. На рис. 17 показан сварной шов, полученный в результате, оплавления и осадки при наличии этого возмущения. Отчетливо виден процесс избыточного оплавле­ния с образованием кратера и явно недостаточным оплавлением. Осадка мала для сечения, в котором образовался кратер, но уве­личить Лос нельзя, так как при этом нарушается устойчивость осаживаемых кромок.

Как и при стыковой сварке оплавлением, в рассматриваемом случае зависимости пластических и динамических свойств свар­ного соединения от осадки имеют экстремальный характер. При недостаточной осадке Дос в шве могут остаться окислы и даже строчечные непровары (рис. 18). Чрезмерная осадка приводит к искривлению волокон и, как правило, к ухудшению пластич-

Подпись: Рис. 17. Сварной шов трубы из алюминия АД1, полученный при пульсации сварочного тока с частотой f = 150 Гц

in п’ in n снижению ударной вязкости (рис. 19). При сварке не — шммсгрнчных систем излишне большая осадка приводит к обра-

юианию «подрезов», что резко снижает прочностные и коррозион­ные характеристики сварного соединения.

Третий параметр, зависимый от предыдущих двух,— давле­

Подпись:ние осадки, Рос. Как известно, с увеличением скорости осад­ки растет сопротивление деформированию и, как след­ствие, повышается Рос■ Это явление при высокочастот­ной сварке с оплавлением алюминиевых сплавов про­анализировано в работе [20], в которой предлагается производить оценку средней скорости деформации юср сва­риваемых кромок по формуле

®ср = (1Дос) In WJHK), (26)

где /0"с — время осадки; Я0, Як — начальная и конечная ширина зоны деформации кромок (рис. 14).

Рассчитанные по форму­ле (26) скорости деформации кромок при сварке прямо­шовных труб из алюминие­вых сплавов составляют 100—150 1/с, что превышает
скорости деформации большинства процессов горячей прокатки С учетом скоростного фактора предлагается для расчета Рас при сварке алюминиевых сплавов принимать двукратное его увеличе ние. В работе [20] также приводятся экспериментальные дан ные оценки величины Рос, полученные при сварке прямошоп пых труб из сплавов алюминия для Д16 — до 25 кгс/мм2; для АМГ2 — 15,5 кгс/мм2. Средние удельные давления в зоне обра­зования соединения превышают условный предел текучести сва­риваемого металла в 1,5—2,2 раза.

Механизм процесса высокочастотной сварки

Рис. 19. Искривления волокон при чрезмерной осадке

Сварка давлением без оплавления. Известно, что процессы сварки давлением без оплавления при отсутствии восстановитель­ной среды могут обеспечить удовлетворительное качество соеди­нения только в узком интервале температур и при деформациях, достаточных для разрушения окисных пленок. Для малоуглеро­дистых сталей это условие соответствует интервалу 150—200° С и Лос = 1,5-j-2,0 мм, а для алюминиевых сплавов — 40—50° С и Лос = 1,2-И,4 мм.

Представим себе два металлических прутка 2, расположенных плотно встык и помещенных в магнитное поле индуктора 1

(пне. 20). Если ширина индуктирующего провода достаточно мала (І» 10 мм), то градиент температуры вдоль оси прутков достаточно

гюльшой. При этом ширина зоны нагрева и крутизна фронта Температурной кривой слабо зависят от частоты тока источника питания. Для процесса формирования шва при осадке такое риспределение температурного поля следует считать благоприят­ным, так как происходит концентрация пластической деформации и узкой зоне и образуется минимальный грат.

Как следует из п. 1, распределение температурного поля по радиусу прутка всегда резко неравномерно. Приемлемый для условий свариваемости температурный перепад может быть достиг­нут только при достаточно малых сечениях свариваемого изделия, времени нагрева, исчисляемом секундами или десятками секунд,

Подпись:и низкой частоте тока источ­ника питания (рис. 21). Такие условия распределения тем­пературного поля по сечению

t, c

Механизм процесса высокочастотной сварки

20 W 60 0, мм

Рис. 21. Время нагрева ста­ли при различных частотах тока источника питания [41]:

/ — 1000 Гц; 2 — 2500 Гц; 3 —

10 000 Гц

свариваемого прутка и условия нагрева в целом следует считать неблагоприятными для процесса сварки. Из рассмотрения схемы нагрева нетрудно сделать вывод, что с наименьшим температур­ным перепадом по сечению и по образующей может быть нагрето цилиндрическое полое тело с толщиной стенки 2d с Дк. Поэтому этот способ имеет ограниченное применение — для стыковой сваркд тонкостенных труб.

Очевидно, для достижения узкой зоны нагрева индуктор может быть только одновитковым, но в таком индукторе симметричное поле и, следовательно, симметричное распределение температуры по периметру нагреваемого изделия получить трудно. Кроме того, дополнительную неравномерность температурного поля по пери­метру вносит разностенность трубной заготовки. Это — затрудняет нагрев свариваемых труб в узком температурном интервале. Поэтому указанный способ применяется при стыковой сварке труб из малоуглеродистых сталей. Скорость нагрева не превы­шает 400 °С/с [6].

Значительные трудности связаны с разрушением и удалением окислов при осадке. Как было сказано ранее, для полного их разрушения необходимо выполнение условия Лос = 1,5-ь2,0 мм. Оно выполнимо только при больших зазорах в системе индуктор— труба, но при этом уменьшается градиент температурного поля вдоль оси трубы и требуются еще большие деформации. Делались попытки преодолеть эту трудность следующими способами.

1. Механизм процесса высокочастотной сваркиПовышением температуры нагрева выше температуры пла­вления FeO (для ее расплавления). При этом хотя и удается полностью удалить расплавленные окислы из зоны сварного соединения, однако происходит рост зерна и образуется видман­штеттова структура. Кроме того, происходит частичное оплавле­ние границ зерен, а при кристаллиза­ции появляются осадочные рыхлоты.

2. Применением газовой защиты или флюсов. Удается при нагреве до Т = = 1200-ь 1250° С получить качествен­ное сварное соединение и удовлетво­рительную микроструктуру околошов — ной зоны. Защитная среда должна быть восстановительной. Жесткие пределы температурного режима сварки и необ — Рис. 22. Схема сварки плав — ходимость применения защитной среды лением ограничивают применение этого способа.

Сварка плавлением. Изделия, подлежащие сварке, плотно прилегают друг к другу отбортованными кромками 2, которые разогреваются и оплавляются с помощью индуктора 1, выпол­ненного по контуру свариваемых кромок (рис. 22). По всему периметру изделия создается ванна расплавленного металла, кри­сталлизация которой происходит без приложения давления[3].

Этот процесс применим для сварки изделий с толщиной стенки от 0,3 до 1,5 мм из малоуглеродистых сталей, сталей аустенитного класса, сплавов титана, а также комбинаций из разнородных металлов и сплавов. Частота тока источника питания выбрана 70 и 440 кГц. Скорость нагрева 250—8000 °С/с. Во всех случаях рекомендуется применение защитных сред. Возможна сварка изделий цилиндрической, овальной и прямоугольной форм с ма­ксимальной длиной сварного шва 500 мм. Наиболее целесообразно применение процесса в случаях, когда в непосредственной бли­зости от шва находятся элементы из^нетеплостойких материалов, а также для массового, автоматизированного производства одно­типных деталей.

Важное значение для рассмотренных вариантов имеют усло­вия свариваемости. Наиболее актуальны они при сварке угле­родистых и легированных сталей.

Свариваемость сталей. Как следует из сказанного, общим II характерным для процессов является ярко выраженная локаль — ппсп, 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 і рлдиенты в зоне шва достигают 1000°С/мм, что обусловливает мощный тепловой поток от нагретых участков к холодным и, следовательно, высокие скорости охлаждения шва и околошовной зоны. Проведенные расчеты и эксперименты показывают, что при сварке малоуглеродистой стали средняя скорость охлаждения и интервале температур 1000—500° С на границе слоя, нагретого на глубину 1 мм, составляет около 1500 °С/с, на 2 мм — 400 °С/с п на 3 мм — порядка 170 °С/с.

Очевидно, 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, троостит). Напомним, 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 троостит 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% в околошовной зоне всегда образуются участки мартенсита или троосто-мартенсита (рис. 23, а), а в среднеуглеродистых сталях — игольчатый феррит и мартенсит (рис. 23, б). 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. 15

Таблица 15. Структурные составляющие стали марок 45 и 40Х при различных скоростях охлаждения

Сталь

Скорость охла­ждения в интер­вале 500— 700° С, °С/с

Структурные составляющие, %

Феррит

Перлит н про­межуточные структуры

Мартенсит

4

5

10

95

90

0

0

45

18

I

3

9

70

90

27

30

I

1

7

30

92

69

60

0

0

2

2

98

98

4

і

0

24

5

75

95

40 X

14

0

0

10

2

90

98

22

0

0

5

0

95

100

Пр имечание. Структурные составляющие приведены по резуль­татам работ различных авторов.

приведены скорости охлаждения для сталей марок 45 и 40Х в тем­пературном интервале 500—700° С. Из таблицы видно, что в стали 45 при скорости охлаждения 4 °С/с мартенсит не обнаруживается.

Механизм процесса высокочастотной сварки

Рис. 23. Микроструктура околошовной зоны сварного соединения (X 150): а — из стали с С = 0,12%; б — из стали 45 с С = 0,48%

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 током частотой 10 кГц до 900° С. Из табл. 16 видно, что во всех трех вариантах скорость охлаждения зоны сварного шва

Механизм процесса высокочастотной сварки

Рис. 24. Микроструктуры шва (а), околошовной зоны (б) и исходного ме­талла (в) стали 45 после сварки с предварительным подогревом (X 100)

намного превышает критическую. При увеличении времени на­грева (снижении скорости сварки ДО пределов ниже Псв. кр) скорость охлаждения остается выше критической. Поэтому для сварки среднеуглеродистых сталей может быть рекомендован
предварительный подогрев [4] свариваемой заготовки до темпера­тур ниже ACl.

Подпись:В зависимости от марки стали, геометрии свариваемых изделий и скорости сварки расчетным путем может быть определена опти­мальная температура подогрева стали [31, 42 J. Например, при сварке прямошовных труб ма­лого диаметра из наиболее рас­пространенных марок средне­углеродистых сталей темпера­тура предварительного подо­грева должна быть 420—680° С [31 ]. Этот диапазон подтвер­ждается экспериментальными данными. На рис. 24 приве­дены микроструктуры исходной заготовки и сварного соедине­ния, полученного при сварке прямошовной трубы диаметром 89 мм с толщиной стегки 3 мм на частоте 440 кГц с предва­рительным подогревом до Т = = 630° С. При этом не только получена равновесная феррито­перлитная смесь в сварном со­единении, но 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 значительной сте­пени определяют работоспособность и надежность высокочастот­ного оборудования и расход электроэнергии, затрачиваемой для осуществления процесса сварки.