Глава I

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВАРКИ

Впервые идея применения токов высокой частоты (т. в. ч.) для сварки металлов была предложена в 1946 г. советскими специалистами во главе с А. В. Улитовским1. В 50-е годы в Советском Союзе и за рубежом начались интенсивные исследования по созданию технологии и оборудования для высокочастотной сварки труб, а несколько позже и для оболочек кабеля и профилей. Был создан способ промышленного применения высокочастотной сварки, при котором изделие перед сварочным узлом формуется в виде заготовки с У-образной щелью между свариваемыми кромками. К кромкам посредством скользящих контактов или индуктором подводится т. в. ч. таким образом, чтобы он проходил от одной кромки к другой через место их схождения. Вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, который по мере сближения кромок усиливается, достигается высокая концентрация тока в месте схождения кромок.

Благоприятное распределение тока, высокая степень концентрации мощности обеспечивают возможность ведения процесса с оплавлением тонкого слоя на поверхности свариваемых кромок и получение прочного качественного сварного соединения. Нагретые кромки изделия обжимаются с помощью валков и свариваются. Качество сварного соединения и расход электроэнергии тесным образом связаны с особенностями протекания т. в. ч. по проводникам.

1. Законы и явления, лежащие в основе процесса высокочастотной сварки

Высокочастотная сварка металлов основана на использовании законов электромагнитной индукции и полного тока, а также следующих явлений: поверхностного эффекта, эффекта близости, кольцевого или катушечного эффекта, влияния магнитопроводов и медных экранов на распределение тока в проводнике, изменения свойств металлов при изменении температуры и напряженности магнитного поля, возникновения электромагнитных сил [4, 6, 21, 22, 35, 39].

Эти законы и явления необходимо учитывать при выборе параметров процесса и конструировании устройств для передачи сварочного тока к изделиям.

1 Авт. свид. № 72290.

,1л коп электромагнитной индукции. Закон полного тока. Изве-iiпо, если магнитный поток Ф, проходящий сквозь поверхность, о1 рапнченную некоторым контуром, изменяется во времени, в этом контуре индуктируется (наводится) э. д. с, мгновенное значение но трои е определяется по формуле

е = <§> Еинд й\ = — йФ/М, (1)

i до Еиид — вектор напряженности электрического поля (наведанного); й\ — вектор, равный длине участка контура й.1 и направленный по касательной к контуру в сторону обхода; &Ф — изменение магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, за время сИ.

Направление э. д. с. определяется правилом правоходового пинта. Если закручивать винт так, что его острие двигается по направлению магнитных сил при возрастании потока, то положительное направление для наведенной э. д. с. совпадает с направлением вращения головки этого винта. В действительности наведенная э.д. с. в этот момент имеет отрицательное направление, поэтому в формуле (1) поставлен знак минус.

Формула (1) справедлива и для воображаемого контура (не образованного проводником), представляющего собой геометрическое понятие. Этот контур может лежать в проводнике или диэлектрике или частично в проводнике, а частично в диэлектрике. Если контур образован проводником и имеет витков, то в формуле (1) значение потока Ф должно быть заменено потокосцепле-нием ¥, равным алгебраической сумме потоков, пронизывающих каждый из витков. Если все витки пронизываются одинаковым потоком, то 4*",'= №Ф.

Полное или результирующее потокосцепление, пронизывающее контур, создается не только внешним по отношению к данному контуру полем, но и собственным потоком, возникающим при протекании по нему электрического тока. При изменении тока в контуре в нем возникает э. д. с. самоиндукции, которая прямо пропорциональна скорости его изменения: еь = —Ь \dildf), где Ь — коэффициент самоиндукции (индуктивность), зависящий от геометрических размеров контура и числа витков.

Закон полного тока, выведенный на основании экспериментов, устанавливает количественную связь между линейным интегралом вектора напряженности магнитного поля Н вдоль любого произвольного замкнутого контура и алгебраической суммой токов, охваченных этим контуром:

§ Ш1 = 2 /. (2)

При вычислении правой части уравнения (2) необходимо учитывать токи проводимости, переноса и смещения, т. е. определять полный ток через поверхность, ограниченную контуром.