Сварка ТВЧ. Сварка токами высокой частоты

Сварка ТВЧ. Сварка токами высокой частоты.

При сварке токами высокой  частоты (ТВЧ) изделие перед сварочным  узлом формируется в виде заготовки  с V-образной щелью между свариваемыми кромками. К кромкам индуктором (рисунок, позиция а) или с помощью вращающегося контактного ролика (рисунок, позиция б) подводится ток высокой частоты 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, и они разогреваются. Нагретые кромки обжимаются валками и свариваются.

Высокочастотная сварка

Качество сварного соединения и расход электроэнергии обусловлены особенностями протекания тока высокой частоты по проводникам.

Схема высокочастотной сварки труб

а — индукционный; б — контактный способы подвода  тока

1 — индуктор; 2 и 3 — контакты; 4 — ферритовый  стержень; 5 — сжимающие ролики; 6 — труба; 7 — направляющий ролик

При протекании тока по проводнику проявляется поверхностный эффект, заключающийся в неравномерном  распределении переменного тока по сечению проводника: у наружной поверхности проводника наблюдается наибольшая плотность тока. При высокой частоте ток проходит лишь по тонкому поверхностному слою проводника. Вследствие поверхностного эффекта существенно увеличивается активное сопротивление проводников и выделяющаяся энергия концентрируется в поверхностных слоях нагреваемого изделия.

При протекании переменного  тока в системе проводников, расположенных  таким образом, что каждый из них  находится не только в собственном  переменном магнитном поле, но и  в поле других проводников, проявляется  эффект близости: ток по периметру  проводников располагается так, что его плотность в близлежащих  точках проводников максимальная, а  в наиболее удаленных — минимальная. Чем меньше расстояние между осями проводников и чем больше радиус сечения проводника, тем сильнее проявляется эффект близости.

 

 

 

 

Индуктор  нагревательный (лат. inductor, от induce — ввожу, нахожу, побуждаю) — электромагнитное устройство, предназначенное дляиндукционного нагрева. Индуктор нагревательный состоит из двух основных частей — индуктирующего провода, с помощью которого создаётся переменное магнитное поле, и токоподводов для подключения индуктирующего провода к источнику электрической энергии. Проводящее электрический ток тело, помещенное в магнитное переменное поле, нагревается вследствие теплового действия вихревых токов, наводимых в участках изделия, непосредственно охватываемых индуктирующим проводом.

Индукционная  нагревательная установка 
Индукционная печь. Схема индукционной печи.

В основном все типы нагревательных индукторов могут быть разделены  на два вида: одновременного и непрерывно-последовательного  нагрева. В первом случае площадь  индуктирующего провода примерно равна  площади нагреваемой поверхности, что позволяет одновременно нагревать  все её участки. При втором способе  нагреваемое изделие перемещают относительно индуктирующего провода, последовательно нагревая участки поверхности изделия.

Существуют нагревательные индукторы для поверхностного нагрева  и закалки различных изделий (деталей), для сквозного нагрева кузнечных заготовок, нагрева листового материала, для плавки металлов и др., различающиеся конструктивным выполнением, частотой питающего электрического тока, материалом магнитопровода индуктирующей системы и пр.

Поверхностная закалка стали. Закалка ТВЧ. Закалка  стали ТВЧ. Установка для закалки  ТВЧ. Закалка токами высокой частоты.

На рис. 1 показан индуктор нагревательный для нагрева под  закалку простых цилиндрических деталей способом одновременного нагрева. Чтобы избежать перегрева и расплавления индуктирующего провода, его выполняют  массивным. Такие нагревательные индукторы питают током с частотой 10 кгц. На поверхности индуктирующего провода расположены отверстия для подачи на нагретую деталь закалочной воды после выключения электрического тока. Таким образом одновременно охлаждается и сам индуктор нагревательный.

Рисунок 1 — Индуктор для закалки цилиндрических деталей  способом одновременного нагрева

1 — воронки для выравнивания  давления закалочной воды в  камере 2; 3 — индуктирующий провод  с отверстиями для выхода закалочной  воды; 4 — трубопровод водяного  охлаждения

Простейшим многовитковым  нагревательным индуктором, предназначенным  для закалки внутренних поверхностей деталей, является соленоид. Соленоидными нагревательными индукторами нагревают внутренние цилиндрические поверхности диаметром 50 мм и более. При диаметрах отверстий меньше 30 мм используют петлевые нагревательные индукторы с магнитопроводом (рис. 2), а для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей диаметром меньше 15 мм — стержневые нагревательные индукторы в виде трубки, диаметр которой на несколько мм меньше диаметра обрабатываемого отверстия. Трубка по отношению к отверстию располагается коаксиально. Для сквозного нагрева кузнечных заготовок применяют нагревательные индукторы, изготавливаемые из трубки, которая при большой длине разделяется на несколько секций с отдельным охлаждением.

Рисунок 2 — Петлевой индуктор для закалки внутренних цилиндрических поверхностей способом одновременного нагрева при вращении закаливаемой детали

 
а — конструкция с отдельными камерами для охлаждения индуктора  и выхода закалочной воды; б —  конструкция без постоянного  охлаждения

1 — магнитопровод; 2 — индуктирующий провод; 3 — трубопровод водяного охлаждения

Плоские поверхности изделий  нагревают для закалки индуктором нагревательным с индуктирующим проводом в виде плоских спиралей или зигзагов (для малых нагреваемых площадей) либо непрерывно-последовательным способом нагрева с перемещением нагреваемой детали над индуктирующим проводом (рис. 3). Существуют секционированные нагревательные индукторы с отдельными подводами электрического тока к каждой секции; включая или выключая в определённом порядке секции, можно закаливать (нагревать) поверхности переменной ширины и требуемой формы. Нагрев торцевых поверхностей производится индуктором нагревательным зигзагообразной формы; для равномерного нагрева поверхности деталь вращают.

Рисунок 3 — Индуктор для закалки плоской поверхности  непрерывно-последовательным способом

 
1 — индуктирующий провод; 2 — магнитопровод; 3 — душевое устройство для подачи закалочной воды; 4 — трубопровод водяного охлаждения

Листовой материал и ленты  наиболее эффективно нагреваются в  поперечном магнитном поле (рис. 4), при  этом толщина листа должна быть меньше глубины проникновения тока (обычно на частотах от 10 до 70 кгц). Нагрев и  закалку зубьев шестерни производят в петлевом индукторе нагревательном, охватывающем зуб с двух сторон. Чтобы закалить (см. Закалка стали) впадину между зубьями, индуктирующий провод располагают вдоль окружности шестерни, устанавливая против впадин магнитопроводы, входящие при рабочем положении внутрь впадин.

Индукционная  нагревательная установка 
Индукционная печь. Схема индукционной печи.

Рисунок 4 — Схема  индукторов для нагрева листового  материала в поперечном магнитном  поле

 
а — при размещении индуктирующего провода с одной стороны нагреваемого листа; б — при размещении индуктирующего провода с обеих сторон нагреваемого листа

1 — индуктирующий провод; 2 — магнитопровод; 3 — ярмо магнитопровода

 

 

 

 

Электроэнергия служит для  привода основного и вспомогательного оборудования, подъемно-транспортных устройств, средств автоматизации  и механизации различных приспособлений, а также для питания нагревательных установок и сварочных аппаратов (см. сварка).

Электроэнергия в цех  поступает от заводской трансформаторной подстанции (крупный цех имеет несколько подстанций). Силовая сеть трехфазная, частота 50 Гц, напряжение 380/220 В, осветительная сеть — напряжение 220 В.

Расчет расхода электроэнергии

Рассмотрим расчет расхода  электроэнергии в цехе на примере  кузнечного цеха.

При подсчете мощности и  расхода электроэнергии внутри каждого  отделения потребителей разбивают  на группы по принципу однородности (например, группа прессов (см. гидравлические прессы, кривошипные прессы), группа молотов, группа холодновысадочных автоматов, группа ножниц, группа сварочного оборудования), а также по типоразмерам или по загруженности (например, прессы крупные, средние, мелкие или прессы весьма загруженные, среднезагруженные и тому подобное) и подсчет выполняется для каждой такой группы в отдельности.

Мощность каждого токоприемника  берут по паспортным данным и указывают  в кВт. Если в киловольтамперах (кВА), то мощность в кВт вычисляют по формуле:

N = S — cosφ,

где N - мощность, кВт; 
S - мощность, кВА; 
cosφ ≈ 0,85 — для кузнечных и холодноштамповочных цехов.

В технологической части  проекта требуется определить:

• суммарную установленную в цехе мощность токоприемников;
• активную мощность по группам оборудования, имеющего однородный характер работы, а также суммарную активную мощность по всему цеху;
• годовой расход электроэнергии.

Суммарная установленная  мощность по цеху N_ц равна сумме мощностей N₁, N₂, N_n, требующихся для каждой единицы оборудования:

N_ц = N₁+ N₂+ N₃+ … + N_n = ΣN_n

N₁, N₂, N_n берут из ведомости оборудования. Потребляемая активная мощность данной группы Р_гр:

Р_гр= К_сΣN_гр

где К_с - коэффициент спроса, учитывающий полноту использования установленной мощности.

Для каждой группы К_с имеет свое значение: 
от 0,15 — краны, манипуляторы и прочее подъемно-транспортное оборудование; 
0,35 — крупные прессы; 
0,45 — молоты, ГКМ, КГШП; 
до 0,75 — конвейеры, работающие непрерывно.

Активная мощность по всему  цеху равно сумме мощностей отдельных  групп:

Р = ΣР_гр

Годовой расход электроэнергии

Годовой расход электроэнергии по цеху Э_г равен сумме ее расходов по тем же отдельным группам оборудования Э_г.гр.:

Э_г = ΣЭ_г.гр.

При этом годовой расход электроэнергии в группе:

где Ф_об - эффективный годовой фонд времени оборудования, ч;  
К₃ — коэффициент загрузки оборудования, %.

Годовой расход электроэнергии на освещение определяется путем  подсчета мощности всех светильников и времени их работы с учетом коэффициента спроса.

 

 

 

 

Сопротивления в  цепи переменного тока

Электрический ток в проводниках  непрерывно связан с магнитным и электрическими полями. Элементы, характеризующие преобразование электромагнитной энергии в тепло, называются активными сопротивлениями (обозначаются R). Типичными представителями активных сопротивлений являются резисторы, лампы накаливания, электрические печи и т.д.

Индуктивное сопротивление. Формула индуктивного сопротивления.

Элементы, связанные с  наличием только магнитного поля, называются индуктивностями. Индуктивностью обладают катушки реле, обмоткиэлектродвигателей и трансформаторов. Формула индуктивного сопротивления:

где L — индуктивность.

Емкостное сопротивление. Формула емкостного сопротивления.

Элементы, связанные с  наличием электрического поля, называются емкостями. Емкостью обладают конденсаторы, длинные линии электропередачи и т.д. Формула емкостного сопротивления:

где С — емкость.

Суммарное сопротивление. Формулы суммарного сопротивления.

Реальные потребители  электрической энергии могут  иметь и комплексное значение сопротивлений. При наличии активного R и индуктивного L сопротивлений  значение суммарного сопротивления Z подсчитывается по формуле:

Аналогично ведется подсчет суммарного сопротивления Z для цепи активного R и емкостного C сопротивлений:

Потребители с активным R, индуктивным L и емкостным C сопротивлениями имеют  суммарное сопротивление: