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

3

0

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:

1)

ze stopieniem łączonych powierzchni bez

wywierania docisku

2)

w stanie plastycznym zgrzewanych

powierzchni i z dociskiem spęczania,

3)

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

z

;

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

z

- 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.10. Przebieg procesu zgrzewania ze stykowym doprowadzeniem prądu
teowej belki konstrukcyjnej; Pl - siła docisku zgrzewania, Izg - prąd
zgrzewania, l - zgrzewane blachy, 2 - styki prądowe, 3 - rolki dociskowe, 4 -
rolki prowadzące, 5 - zgrzeina, 6 - kierunek zgrzewania

Rys.11. Przykłady typowych kształtów i wymiarów belek konstrukcyjnych
zgrzewanych prądami wielkiej częstotliwości ze stykowym doprowadzeniem
prądu: a) belka teowa, b) belka dwuteowa o różnej szerokości pasa, c) belka
dwuteowa o wysokim środniku, d) belka dwuteowa o pasach o dużej grubości,
e) belka dwuteowa o pasach o wyraźnie różnej grubości

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.