Способ высокочастотной сварки профилей и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК B23K13/00 B23K31/08 

(54) СПОСОБ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВАРКИ ПРОФИЛЕЙ И УСТРОЙСТВО для ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

1

Изобретение относится к высокочастотной сварке профилей и .может быть использовано при производстве изделий типа «ребро-поверхность.

Известные в указанной области технические решения направлены на решение 5 двух основных взаи.мосвязанных задач: устранение неравномерности нагрева ребра и поверхности к .моменту осуществления собственно сварки давлением (аси.мметрия цепей приводит к недогреву поверхности и jg перегреву ребра); создание оптимальных температурно-дефор.мационных полей на соединяемых элементах для осуш,ествления сварки давление.м и обеспечения длительной работоспособности соединения.

Известен способ высокочастотной сварки 15 профилей типа «поверхность-ребро, заключающийся в сведении под острым углом свариваемых эле.ментов, подведении тока высокой частоты к разведенным конца.м элементов, их нагреве и последующе.м сдав- jливании, при котором интенсивность нагрева свариваемых элементов изменяют путем создания на боковой поверхности одного из сваривае.мых эле.ментов дополнительной ЭДС 1.

Однако в известном способе дополнительная ЭДС влияет на нагрев поверхности. Указанный способ облегчает условия достижения равномерности нагрева. Создание же дополнительной ЭДС на поверхности неизбежно требует размещения специальпых устройств в зазоре между кромкой ребра и поверхностью. Это приводит к необходи.мости увеличения зазора между свариваемы.ми элементами и даже при этом реальное устройство, обеспечивающее дополнительную ЭДС, будет располагаться на достаточном расстоянии от точки схождения свариваемых элементов. Но с увеличением зазора (т. е. угла схождения элементов) и длины нагревае.мых участков возра-стает неравно.мерность нагрева и требуются дополнительные меры для последующего выравнивания температур. Таки.м образо.м, при удовлетворительном решении задачи по усилению нагрева поверхности, устранение перегрева ребра достигается в основном за счет уменьшения времени нагрева ребра, что неизбежно приводит к получению на ребро те.мпературных полей с высоким градиенто.м от кромки в глубину металла ребра с максимумо.м на свариваемой части. В особенности это характерно для материа.юв с пониженной теплопроводностыс и при стремлении обеспечить производительность процесса за счет высоких скоростей сварки. Создаваемые в этом случае на ребре температурно-деформационные условия приводят к снижению качества сварного соединения и его работоспособности, ибо в процессе сварки давлением тонкий оплавленный слой металла выдавливается из зоны образования соединения, а последующие прилежащие слои металла, имея недостаточную пластичность вследствие низкой температуры, неравномерно участвуют в совместной деформации с металлом поверхности. Это приводит к образованию непроваров по краям сварной зоны (подрезы), более того, возможные дефекты не могут быть и впоследствии удалены механическим путем, так как они располагаются в пределах толщины ребра. Именно по этой причине в тех случаях, когда требуется высокая работоснособность изделий, известный способ предусматривает использование ребра с утолщенной кромкой, приче.м это утолщение делается на предварительной стадии в холодном состоянии. Таким образом, воздействие донолнительной ЭДС на поверхность требует введение операций подготовки ребра и дополнительных устройств для осуществления этих операций. Известно устройство для высокочастотной сварки профилей типа поверхность-ребро, содержащее источник питания током высокой частоты, токоподводы к свариваемым элементам, роликовый шовообжимпой узел и индуктирующий провод, соединенный одним концом с токоподводом с ребром, а другим - с источником питания. В известном устройстве индуктирующий провод установлен в зазоре между ребром и поверхностью вблизи поверхности строго над зоной нагрева под сварку 1. Однако применение известного устройства не позволяет обеспечить высокое качество в особенности при сварке тонкостенных профилей из высоколегированных статей из материалов с низкой теплопроводностью и не обеспечивает длительного стабильного ведения процесса в промыщленных условиях, вследствие, во-первых, сложности обеспечения опти.мального нагрева ребра, что приводит к снижению качества сварного соединения, во-вторых, размепдение индуктирующего провода в узком зазоре (5-10°) меж ду свариваемыми элементами при значительных токовых нагрузках {тысячи амнер) и ограниченном пространстве, в зоне выброса расплавленных частиц металла, не позволяет создать надежную конструкцию, обеспечивающую длительную эксплуатацию в течение нескольких часов. Учитывая, что требуется строгая соосность положения индуктирующего провода над осью нагре ва под сварку, а также композиционную сложность всего сварочного устройства, пробой индуктирующего провода приводит к длительной остановке всего профилесварочного стана и требует длительной настройки после ремонта. Принципиально важным недостатко.м известного устройства является сложность создания надежной конструкции щовообжимного узла, так как стремление к снижению перегрева ребра заставляет уменьщить длину участка нагрева ребра, т. е. придвигать ребровой контакт к щовообжимному узлу, а это приводит к затруднениям с размещением подщипниковых узлов и умень пает допустимые диаметры роликов щовообжимного узла. Цель изобретения - повышение качества высокочастотной сварки профилей, повышение надежности и стабильности работы устройства для его осуществления. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе высокочастотной сварки профилей, преимущественно типа поверхность-ребро, заключающемся в сведении под острым углом свариваемых элементов, подведении тока высокой частоть к разведенны.м концам элементов, их нагреве и ггоследующем сдавливании, при котором интенсивность нагрева свариваемых элементов изменяют путем создания на боковой поверхности одного из свариваемых элементов дополнительной ЭДС, дополнительную ЭДС создают на боковой поверхности ребра. В устройство для высокочастотной сварки профилей, содержащем источник питания током высокой частоты, токоподводы к свариваемым элементам е контактными наконечниками, ,и индуктирующий провод и роликовый щовообжимной , узел, соединенный одним концом с токоподводом к ребру, а другим - е источником питания, индуктирующий провод расположен между токоподводом к ребру и шовообжимным узлом, а рабочая поверхность индуктирующего провода перпендикулярна осям шовообжимных роликов. На фиг. 1 представлена принципиальная схема способа; на фиг. 2 схематично изображено устройство для его осуществления. Свариваемые элементы поверхность 1 и ребро 2 {фиг. 1) сводят под острым углом с так, чтобы они смыкались в точке А схождения. К разомкнутым концам элементов 1 и 2 с помощью контактов 3 и 4 подводят ток высокой частоты. Вблизи ребра 2 устанавливают индуктирующий провод 5, по которому пропускают переменный ток,находящийся в протнвофазе со сварочным током 6. При этом частота тока в индуктирующем проводе равна чаетоте сварочного тока 6. Сварочный ток 6, подводимый через контакт 3, протекает по поверхности 1 через точку А схождения и по свариваемой кромке ребра 2 к контакту 4. В результате протекания тока по индуктирующему проводу 5 (благодаря эффекту близости) часть сварочного тока б перемещается со свариваемой кромки ребра 2 на его боковую поверхность. В, противолежащую индуктирующему проводу 5. Положение индуктирующего провода 5 относительно ребра 2, его размеры и величину тока в нем устанавливают по результатам предварительного моделирования на адекватной модели и уточняют в процессе сварки таким образом, чтобы на этом участке эффект близости между током 6 и током, протекающим по индуктирующему проводу 5, проявлялся в равной степени или сильнее, чем между составляющими тока б, протекающими по кромке ребра 2 и поверхности I. При этом достигается оптимальное распределение плотности тока по длине кромки ребра 2. В связи с тем, что не требуется искусственное увеличение зазора и угла схождения элементов 1 и 2, а на всей длине нагреваемых участков действует эффект близости, обеспечивается эффективный концентрированный нагрев узкой полосы, по которой приваривается кромка ребра 2. При этом перегрева кромки ребра 2 не происходит, так как на определенном участке .нагрева на свариваемую кромку действует лищь часть сварочного тока 6. Таким образом обеспечивается выравнивание температуры нагрева элементов к моменту собственно сварки давлением. Увеличение времени нагрева кромки реб ра 2 за счет увеличения длины нагреваемой кромки в сочетании с малой удельной мощностью нагрева на части длины нагреваемой кромки обеспечивает оплавление только поверхностного слоя металла и плавный спад температуры от кромки в глубину ребра. Таким образом, создается оптимальный температурный градиент и оптимальные температурно-деформационные условия для проведения собственно сварки давлением на участке от точки А схождения и далее. В результате, при сдавливании элементов I и 2 жидкая фаза удаляется из зоны соединения, а прилегающие слои металла ребра, имеющие достаточную температуру и повыщенную пластичность, деформируются с образованием грибовидного утолщения у основания ребра: При этом непровары и другие дефекты на краях сварного соединения оказываются вне зоны толщины ребра и при необходимости могут быть без ущерба удалены механическим путем. Устройство (фиг. 2) состоит из источника питания 7 высокочастотный генератор, от которого ток высокой частоты (например, 440 КГЦ) подведен через неподвижные 8 и подвижные 9 части токоподвода к скользящему контактному наконечнику 3, который контактирует с элементом-поверхностью I. Вторая щина источника соединена с индуктирующим проводом 5, который жестко скреплен с неподвижной частью 10 токоподвода к ребру. Подвижная часть токопровода I к ребру соединена жестко с контактным наконечником 4 к ребру. Индуктирующий провод 5 установлен между токоподводом к ребру и щовообжимным узло.м, состоящим из щовообжимных роликов 12 и роликов 13, фиксирующих положение ребра при сварке. Ближний к аговообжимному узлу конец индуктирующего провода соединен с источником 7 питания, при это.м рабочая поверхность С индуктирующего провода 5 перпендикулярна ося.м щовообжн.мных роликов 12. Устройство работает следующим образом. При сварке профилей (в наиболее общем случае), представляющих изделия типа ребро-поверхность, ребро 2 и поверхность 1 подаются под острым углом оС в пювообжимные ролики 12 таки.м образо.м, что соединяются в точке А схода элементов 1 и 2. Сварочный ток в некоторый момент времени течет от генератора 7 через токоподвод 8 и 9 и контактный наконечник 3, затем идет по эле.менту-поверхности 1 до точки А схода, далее переходит на кромку ребра 2, проходит по ребру под индуктирующим проводом 5 и через контактный наконечник 4, токоподвод 10 и 11 и индуктирую1дий провод 5 возвращается к противоположному полюсу генератора 7. Вследствие действия эффекта близости происходит интенсивный нагрев зоны сварки на поверхности, а кромка ребра, не перегреваясь из-за действия дополнительной ЭДС, подходит с требуе.мой температурой к точке .А сварки. В зоне сварки давлением (от точки А и далее) щовообжимные ролики 12 сдавливают соединяемые элементы, в результате чего удаляется жидкая фаза, происходит сов.местная дефор.мация и качественное соединение ребра и поверхности. В предлагаемом устройстве контакт 4 к ребру может располагаться на значительном расстоянии от щовообжимного узла и не ли.митирует конструктивные параметры последнего, что обеспечивает конструктивную надежность узла и его стабильную работу. Только совместное использование предлагаемого способа и устройства позволяет достичь повыщения качества сварки профилей путе.м устранения неравно.мерности нагрева ребра и поверхности и создания оптимальных темпера ту рно-дефор.via ционных полей на соединяе.мых эле.ментах для осуществления сварки давлением. Пример. Производится сварка тонкостенного таврового профиля 50 X 35 X 1,2 на опытно-про.мыщленном стане высокочастотной сварки. Гео.метрические размеры профиля: толщина ребра 1,2 мм, 1иирина 35 мм; толщина поверхности 1,2 мм, ширина 50 мм. Материал профиля - легированная сталь.

Скорость сварки 20/м/мин.

В качестве источника питания используется ламповый генератор ВЧС2-160/44 мощностью 160 кВт, частотой 440 кГц.

Длина нагреваемы.х кромок 100 мм.

Угол с.хождения свариваемых элементов 8°.

Между токоподводом и точкой схождения над поверхностью ребра устанавливают индуктирующий провод, по которому пропускают ток, равный по частоте и величине сварочному -(1800 А).

Направление токов на ребре и в индуктирующем проводе противоположно.

Длина индуктирующего провода 50 мм; щирина - 35 мм; расстояние от точки схождения до индуктируюп1его провода 45 мм; расстояние от кромки ребра до индуктирующего провода 5 мм, зазор между индуктирующим проводом и поверхность ребра 6 мм.

Указанные параметры обеспечивают распределение плотности тока по длине кромки ребра приведенное в таблице, где за единицу принята максимальная плотность тока на кромке ребра.

В результате иолучень; образцы профилей, имеющих качественное сварное соединение, нричем у основания ребра имеется четко Быраж.ен.ное грибовидное уюлщеииу. Величина утол цения ребра в зоне перехода к поверхности составляет 1,2---L35 от первоначальной ТОЛП1ИНЫ ребра. По сравнению с дейетвозавщей технологией качество свар ки (по усталостной прочности при испытаниях на малоцикловую усталость)- зозросло в К7---2,0 раза. Относктельная плотность 11 0,9 тока

Формула изобретения

. Способ высокочастотной сварки профилей, преимуществошо типа поверхностьребро., заключаюии1Йся в сведении под острым углом свариваемых эле.ментоь, подведении тока высокой частоты к разведенныу. конп.БМ элементов, их нагреве и последующем сдавливании, при котором интенсивность нагрева свариваемых элементов изИспользование предлагае.мого способа высокочастотной сварки и устройства позволяет обеспечить по сравнению с существующи.ми способами и устройствами следующие преимущества.

Повыщается качество сварки вследствие создания оптимального температурного поля на соединяемых элементах. Работоспособность и свойства сварного соединения значительно улучшаются вследствие создания оптимальных деформационных условий сварки давлением, возможности получения требуемой формы соединения, в итоге это обеспечивает повыщение усталостной прочности при испь таииях на малоцикловую усталость в 1J-2,0 раза.

Расщиряется сортамент фасонных профилей как по толщинам, так и по сортаменту материалов, охватывая щирокий круг металлов от малоуглеродистой стали до высоколегированной стали титановых сплавов и цветных металлов.

Значительно новыщается надежность работы сварочных устройство их долговечности и работоспособность.

Сокращаются непроизводительные простои на аварийный ремонт и настройки, уменьшаются отходы продукции из-за аварийных остановок профилесварочного оборудования.

Освоение предлагаемого способа и устройства является одним из наиболее важных компонентов в комплексе технических решений, обеспечивающих промышленное внедрение новой технологии производства профилей, обеспечивающих значительную экономию металла и трудозатрат.

Применение сварных профилей взамс сортового проката в промышленного строительстве уменьшит расход стали на 70 тыс. т в год и даст экономический эффект в строительстве около 25 млн. pv6.

меняют путем создания на боковой поверхности одного из свариваемых элементов дополните.1ьной ЭДС, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварки, дополнительную ЭДС создают на боковой поверхности ребра.

жимной узел и индуктирующий провод, соединенный одним концом с токоподводом к ребру, а другим - с источником питания, отличающееся тем, что индуктирующий провод расположен между токоподводом к ребру и шовообжимным узлом, а рабочая поверхность индуктирующего провода перпендикулярна к осям шовообжимных роликов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 3610869, кл. 219-107, 1971. г/г. /

ч

V