ZGRZEWANIE PRĄDAMI WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

ZGRZEWANIE PRĄDAMI WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

Jest to pewna odmiana zgrzewania oporowego w której

wykorzystano własności prądów wysokiej częstotliwości do
nagrzania powierzchni styku zgrzewanych elementów do
temperatury zgrzewania (stopienia lub plastyczności) i ich połączenia
poprzez docisk (lub bez ).Do zgrzewania stosowane są prądy o
częstotliwości

10-500 KHz

i mocach

1-400 KW

uzyskiwane z

przetworników maszynowych lub lampowych. Nagrzewanie
oporowe prądami WIROWYMI o charakterystycznym torze
przepływu wyznaczonym głównie przez zjawiska naskórkowości i
zbliżenia.

Zjawisko naskórkowości

polega na wymuszonym przepływie

prądu elektrycznego wielkiej częstotliwości, wyłącznie w cienkiej
warstwie zewnętrznej przewodnika, rys.1.

Rys.1. Przepływ prądu wielkiej częstotliwości w cienkiej warstwie zewnętrznej
przedmiotów o pełnym przekroju w wyniku zjawiska naskórkowości; l -
warstwa przewodząca prąd wielkiej częstotliwości, 2 - przekrój wewnętrzny o
dużym oporze elektrycznym właściwym

Zjawisko zbliżenia

, polega na tendencji przepływu prądu

elektrycznego w najbliższych warstwach obu przewodników, rys.2.
Im mniejsza jest odległość między przewodnikami, tym węższa jest
warstwa, przez którą płynie prąd.

Rys.2. Koncentracja przepływu prądów wielkiej częstotliwości w warstwach
najbliższych przewodników przewodzących prąd wejściowy II i prąd
powrotny 12 w wyniku zjawiska zbliżenia; l - warstwa przewodząca prąd
elektryczny wielkiej częstotliwości

W wyniku omówionych zjawisk możliwe jest duże skoncentrowanie
energii elektrycznej w cienkiej warstwie zewnętrznej przewodnika,
zapewniającej bardzo duże prędkości nagrzewania, dochodzące do

150.10

C/s.

Głębokość wnikania (

Δ)

prądu wielkiej częstotliwości w

przewodnik

maleje

ze wzrostem częstotliwości (jest również zależna

od własności fizycznych materiału przewodnika).

Doprowadzenie prądu wielkiej częstotliwości do przedmiotów

zgrzewanych może być

indukcyjne lub bezpośrednie, stykowe

Sposób indukcyjny polega na wyindukowaniu w zgrzewanym
przedmiocie prądów wielkiej częstotliwości za pomocą cewki
indukcyjnej (induktora), nie stykającej się z przedmiotem zgrze-
wanym. W drugim przypadku styki elektryczne dociśnięte do
przedmiotu zgrzewanego doprowadzają bezpośrednio prąd wielkiej
częstotliwości.

Zgrzewanie prądami wielkiej częstotliwości może odbywać się

trzema technikami:

ze stopieniem łączonych powierzchni bez

wywierania docisku

w stanie plastycznym zgrzewanych

powierzchni i z dociskiem spęczania,

ze stopieniem zgrzewanych

powierzchni i następnie dociskiem spęczania,

Parametry zgrzewania

⇒

częstotliwość prądu w kHz,

⇒

moc prądu (energia liniowa zgrzewania) w kW,

⇒

siła docisku spęczania w kN,

⇒

prędkość spęczania w m/s,

⇒

czas nagrzewania (długość odcinka nagrzewania przy zgrzewaniu

ciągłym) w s,

⇒

prędkość zgrzewania w m/min,

⇒

sposób doprowadzenia prądu do obszaru zgrzewania-pomocniczy

Dobór optymalnych parametrów zgrzewania jest zależny od

kształtu i wymiarów złącza, rodzaju zgrzewanych materiałów,
sposobu zgrzewania i typu urządzenia. Obecnie parametry
regulowane są zwykle elektronicznie.

Przygotowanie elementów do zgrzewania

Przedmioty do zgrzewania powinny być starannie przygotowane,

zarówno pod względem wymiarowym i kształtu, jak i czystości
zgrzewanych powierzchni. Dokładność przygotowania zależy od
sposobu zgrzewania i zwykle

najwyższa dokładność

jest wymagana

przy zgrzewaniu

techniką w stanie plastycznym z dociskiem

oraz

techniką

ze stopieniem bez docisku

, ze względu na trudność

usunięcia zanieczyszczeń z obszaru zgrzewania w czasie procesu.
Technika

ze stopieniem i dociskiem

spęczania nie wymaga tak

dokładnego przygotowania powierzchni dzięki mechanizmowi
tworzenia złącza, zapewniającemu usunięcie zanieczyszczeń z
obszaru zgrzewania.

Przegląd technik zgrzewania i zastosowanie

Indukcyjne doprowadzenie prądu

Rys.3. Przebieg procesu zgrzewania doczołowego w stanie plastycznym
prądami wielkiej częstotliwości prętów i rur z dociskiem zgrzewania P

;

1 -

zgrzewane przedmioty, 2 - induktor, 3 - obszar zgrzewania, 4 - nadmuch gazu
ochronnego

Proces przedstawiony na rys.3. jest stosowany do zgrzewania

prętów o średnicy mniejszej od 60-80 mm oraz rur o średnicy do 200
mm i grubości ścianki 1 do 12 mm. Induktor winien być dopasowany
do kształtu przedmiotu i mieć jeden zwój w celu uzyskania wąskiego
pola temperatur. Zgrzewane są głównie stale węglowe i
austenityczne. Dla metali wrażliwych na utlenianie ( np. 18-8)
stosuje się ochronę gazową np. argon.

Zgrzewanie

ze stopieniem obszaru złącza bez wywierania docisku

(rys.4) jest stosowane do wykonywania połączeń grzbietowych
przedmiotów o grubości ścianki 0,3-1,5 mm ze stali niskowęglowych,
austenitycznych i stopów tytanu. Zalecane są częstotliwości prądu
70-440 kHz i prędkości nagrzewania 250-8000°C/s. We wszystkich
przypadkach jest konieczna osłona gazowa obszaru zgrzewania.
Prąd wielkiej częstotliwości stapia obszar złącza, a siły napięcia
powierzchniowego utrzymują ciekły metal zgrzeiny, aż zakrzepnie.
Najlepsze wyniki zgrzewania uzyskuje się przy wykonywaniu złączy
o obwodzie zamkniętym kołowym, owalnym lub prostokątnym, o
maksymalnej długości złącza do 500 mm. Proces ten jest szczególnie
przydatny do produkcji automatycznej różnego rodzaju
pojemników lub gdy w pobliżu złącza znajduje się materiał wrażliwy
na działanie podwyższonej temperatury, np. obudowa tyrystora czy
pojemnik z produktami spożywczymi.

Rys.4. Przykłady typowych złączy grzbietowych zgrzewanych prądami
wielkiej częstotliwości ze stopieniem obszaru zgrzewania bez wywierania
docisku; l - induktor HF, 2 - zgrzewane przedmioty

Zgrzewanie oporowe prądami wielkiej częstotliwości z

indukcyjnym doprowadzeniem prądu stosuje się również
(najczęściej) do zgrzewania wzdłużnego rur o średnicach od 10 do
300 (600) mm i grubości ścianki od 0,25 do 10 (12) mm, z
prędkościami od 10m/min do nawet 150 m/min. Induktory
(obejmujące rurę) mogą być wykonane jako jedno- lub
wielozwojowe, rys.5 i 6.

Rys.5. Przebieg procesu
zgrzewania oporowego
wzdłużnego rur prądami wielkiej
częstotliwości z indukcyjnym
doprowadzeniem prądu z
generatora HF; 1 - induktor, 2 -
rolki dociskowe, 3 - opornik
magnetyczny, 4 - kierunek
zgrzewania, 5 - zgrzeina, Pz - siła
docisku

Rys.6. Schemat przepływu prądów
przy indukcyjnym doprowadzeniu
prądów wielkiej częstotliwości w
czasie zgrzewania wzdłużnego rur; l
- induktor, 2 - zgrzewana rura, 3 -
zgrzeina, I - prąd główny płynący w
cewce induktora, Iw - prąd płynący
przy powierzchni wewnętrznej rury,
Izg - prąd zgrzewania płynący przy
powierzchni zgrzewanych brzegów

Induktory mogą też być usytuowane we wnętrzu rur,

umożliwiając zgrzewanie rur o średnicach nawet do 1620 mm, np.
techniką zgrzewania z dwoma szwami, rys7.

Rys.7. Schemat zgrzewania oporowego
wzdłużnego rur z dwoma szwami przy
zastosowaniu wewnętrznych induktorów
prądu wielkiej częstotliwości; 1 -
zgrzewane części rury, 2 - induktor
wewnętrzny, P

- siła docisku

Zastosowanie induktora umożliwia zgrzewanie rur z powłokami

ochronnymi metalicznymi i niemetalicznymi.

Stykowe doprowadzenie prądu

Zgrzewanie ze stykowym doprowadzeniem prądu umożliwia
zgrzewanie wzdłużne i spiralne rur i użebrowań rur oraz zgrzewanie
wzdłużne belek konstrukcyjnych i taśm bimetalicznych, rys.8- .
Styki doprowadzające prąd zgrzewania zwykle są ustawiane w
odległości 30-200 mm od miejsca styku zgrzewanych brzegów i w
czasie przesuwania zgrzewanych przedmiotów ślizgają się lub toczą
po ich powierzchni. Styki prądowe są wykonane ze stopu miedzi lub
wolframu i stopów wolframu, a ich trwałość mieści się w granicach
10-30 km długości zgrzanego złącza.

Rys.8. Przebieg procesu zgrzewania wzdłużnego rur ze stykowym
doprowadzeniem prądu z generatora HF; l - styki prądowe, 2 - obrotowe rolki
dociskowe, 3 - opornik magnetyczny, 4 - kierunek zgrzewania, 5 - zgrzeina,

Pz - siła docisku zgrzewania

Rys.9. Schemat przepływu prądów przy stykowym doprowadzeniu prądów w
czasie zgrzewania wzdłużnego rur; 1 - styki prądowe, 2 - zgrzewana rura, 3 -
zgrzeina, I- prąd główny zgrzewania płynący przez styki prądowe, Iz - prąd
płynący przy powierzchni zewnętrznej rury, Izk - prąd zgrzewania płynący
przy powierzchni zgrzewanych brzegów

Rys.12. Przebieg procesu zgrzewania oporowego wzdłużnego taśm
bimetalicznych prądami wielkiej częstotliwości ze stykowym doprowadzeniem
prądu; 1 - taśma ze stali niskowęglowej, 2 - taśma ze stali szybkotnącej,
3- styki prądowe, 4 – rolki formujące, 5 - rolki dociskowe, 6 - rolki
prowadzące, 7 - zgrzeina, 8 - kierunek zgrzewania, Pz - siła docisku
zgrzewania,

Δ- przesunięcie styków prądowych w celu symetrycznego

nagrzania zgrzewanych powierzchni

Rys.13. Przebieg procesu przygrzewania żeber wzdłużnych i spiralnych do
powierzchni zewnętrznej rur prądami wielkiej częstotliwości ze stykowym
doprowadzeniem prądu; l - rura, 2 - żebro. 3 - styki prądowe. 4 - rolki
dociskowe, 5 - zgrzeina, 6 - kierunek zgrzewania, Pz - siła docisku

Zaletą stykowego

doprowadzania prądu

jest łatwość przebudowy

urządzenia przy zmianie średnicy produkowanych rur, możliwość
znacznego skrócenia odcinka zgrzewania i sprawność energetyczna
procesu powyżej 60%.

Wadą

jest konieczność dokładnej regulacji

położenia styków prądowych, możliwość występowania lokalnych
przepaleń i podtopień powierzchni przedmiotów zgrzewanych,
zajarzenia się łuku, oraz ograniczona trwałość styków.

Zgrzewanie prądami wielkiej częstotliwości znajduje

zastosowanie głównie w

przemyśle hutniczym

, jako jedna z

najwydajniejszych i najbardziej ekonomicznych metod produkcji
rur o najwyższej jakości, w rozległym zakresie średnic i grubości
ścianki. Możliwe jest zgrzewanie

stali węglowych, stopowych i

wysokostopowych, niklu i stopów niklu, tytanu i jego stopów,
cyrkonu, wolframu, molibdenu oraz metali szlachetnych.

Z dużym

powodzeniem zgrzewane są elementy z

aluminium i jego stopów,

pomimo małej oporności i dużej przewodności cieplnej.

Mosiądz

normalnie trudno spawalny ze względu na intensywne parowanie
cynku, może być zgrzewany oporowo prądami wielkiej
częstotliwości, nawet bez osłony gazowej.

Document Outline