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高 频电流的集肤和邻近两效应

发布日期:2020-08-13 04:45 作者:宝盈现金直营 点击:

  高频焊 0 第八章 高频焊 教学目标: 1. 了解高频焊的原理、工艺特点、分类及应 用范围; 2. 熟悉爆炸焊的设备与工艺,了解爆炸焊的 基本操作与安全知识。 LEE MAN (SCETC) 高频焊 1 第一节 高频焊概述 高频焊(High-Frequency Resistance Welding,HFRW)--高频焊是利用10~500kHz高频电流经焊件连接面产生电阻热,使焊 件待焊区表层被加热到熔化或塑性状态,同时通过施加(或不加) 顶锻力,使焊件达到金属间结合的一种焊接方法。是一种固相电阻 焊方法(除高频熔焊外)。 高频焊发明于20世纪50年代初,并很快应用于工业生产。目前, 高频焊主要应用于机械化或自动化程度颇高的管材、型材生产线。 焊件材质可为钢、非铁金属,管径范围为6~1420mm,壁厚为 0.15~20mm。小径管多采用直焊缝;大径管多采用螺旋焊缝。 LEE MAN (SCETC) 高频焊 一、高频焊的基本原理 (一)高频焊的基本类型 高频电阻焊 根据高频电能导入方式 高频感应焊 2 高频电阻焊时,通过电极触头与焊件 直接接触,将电流导入焊件实施焊接。 高频感应焊时,通过外部感应线圈的 耦合而在焊件内部产生感应电流进行 焊接,电源与焊件不发生有形的电接 触。 高频焊的基础在于它应用了高频电流的两大效应:集肤效应和邻近效应。 LEE MAN (SCETC) 高频焊 3 集肤效应 集肤效应----是指高频电 流倾向于在金属导体表面 流动的一种现象。 集肤效应通常用电流的穿透 深度来度量。导体的电阻率越 低、磁导率越大、电流的频率 越高,其穿透深度越小,集肤 效应越显著。另外,由于导体 的磁导率和电阻率随温度而变 化,所以,集肤效应还与温度 有关。 LEE MAN (SCETC) 高频焊 4 邻近效应 邻近效应---是指当高频电流在 两导体中彼此反向流动或在一 个往复导体中流动时,电流集 中流动于导体邻近侧的现象。 如图5-1所示。邻近效应随频率增 加而增强,随邻近导体与焊件的越 加靠近而越加强烈,从而使电流的 集中与加热程度更加显著。若在邻 近导体周围加一磁芯,则高频电流 将会更窄地集中于工件表层。 导线与金属板互为邻近导体 LEE MAN (SCETC) 高频焊 借助高频电流的集肤效应可以使高频电能量集中于焊件 的表层,而利用邻近效应,又可控制高频电流流动的路线、 位置和范围。当要求高频电流集中于焊件的某一部位时, 只要将导体与焊件构成电流回路并使导体靠近焊件上的这 一部位,使它们相邻导体就能实现。 5 例如,在450kHZ,温度 1093℃时,在钢中的电流 穿透深度大约0.76mm; 在10kHz,温度1093℃时, 在钢中的深度大约是5mm。 使用高频电流时,邻近效 应能够使加热限制在预定 的通道内。如图示意了一 个辅助的导体和要加热的 零件被串联起来的情况。 LEE MAN (SCETC) 辅助导体与金属板构成往复导体 高频焊 6 (二)高频焊焊接过程及实质 集肤效应 邻近效应 高频电流 高频电流集中于待焊件的表层 电路电阻 加热 控制高频电流的路线、位置和范围 金属熔化或塑性状态 加压 电能转换成热能 金属原子通过金属键形成接头 LEE MAN (SCETC) 高频焊 高频焊的实质: 7 根据焊件结构的具体形式和特殊要求,运用集肤效应和邻近效应,使 焊件待焊处的表层金属得以快速加热而实现焊接。 高频焊通常使用的电流频率范围为300 ~450kHz,能使用比普 通电阻焊小得多的电流(能量耗损也小得多)使焊接区达到焊接温 度,从而可使用比较小的电极触头和触头压力,并能极大地提高焊 接速度和焊接效率。 LEE MAN (SCETC) 高频焊 图5-2为长度较小的两个焊件高频焊原理示意图。无论是对接还是 T型接头,待焊件截面彼此平行且留有一定间隙,高频电流通过接触 法导入焊件,沿箭头方向流动,相邻两端面就构成了往复导体。高 频电流的集肤和邻近两效应,使电流集中从焊件表层流过并使其迅 速加热到焊接温度,经加压后形成焊接接头。 8 LEE MAN (SCETC) 高频焊 如果被焊件很长,则要采用连续高频焊。 为有效地利用高频电流的集肤效应和邻近效 应,被焊件的待焊端面要制成V形开口结构, 两待焊面之间构成V形会合角,如图5-3所示。 高频焊时,通过置于待焊件边缘的电极触头 向焊件导入高频电流,由于集肤效应,电流 由一电极触头沿会合面流经会合点再到另一 电极触头,形成了高频电流的往复回路。由 于邻近效应,且愈接近顶点,两边缘之间的 距离愈小,产生的邻近效应越强,边缘温度 也越高,甚至达到金属的熔点而形成液体金 属熔池。随着焊件连续不断地向前运动,待 焊端面受到挤压,把液体金属和氧化物挤出 去,纯净金属便在固态下相互紧密接触,产 生塑性变形和再结晶,从而形成了牢固的焊 缝. 9 LEE MAN (SCETC) 高频焊 图5-4为用V形开口结构制造的三种类型产品。 10 LEE MAN (SCETC) 高频焊 二、高频焊的特点及应用 (一)高频焊的特点 优点 焊接速度高 11 由于电流能高度集中于焊接区,加热速度极快,高频焊的一般焊速 可高达150~200m/min。 因焊速高,焊件自冷作用强,故高频焊的热影响区窄小且不易发生 氧化,从而可获得具有良好组织与性能的焊缝。 高频电流的电压很高,对焊件表面的氧化膜是能够导通的,且通过 闪光过程、挤压作用,可以有效地清除接头上的氧化物和其他杂质。 而且只有在焊接如钛等与氧和氮反应非常快的金属时,才需用惰性 气体进行保护。 热影响区小 焊前无需清理 LEE MAN (SCETC) 高频焊 缺点 12 装配要求高 焊接时对装配质量要求高,尤其是连续高频焊接型材时,装配和焊 接都已实现自动化,任何因素造成V形开口形状的变化都会影响焊 接质量。 电源回路的高压部分对人身与设备的安全有威胁,要有特殊的保护措施。 回路中振荡管等元件的工作寿命较短,而且维修费用较高。 LEE MAN (SCETC) 高频焊 (二)高频焊应用范围 13 1.可焊接的金属材料 高频焊可焊接低碳钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝 合金、钛合金(需用惰性气体保护)、铜合金(黄铜 件要使用焊剂)、镍合金、铝合金等金属材料。 2.结构类型 高频焊除能制造各种材料的有缝管、异型管、散热片管、螺旋散 热片管、电缆套管等,还能生产各种断面的结构型材(T形、Ⅰ 形、H形等)、板(带)材等,如汽车轮圈、汽车车箱板、工具 钢与碳钢组成的锯条、刀具等。 LEE MAN (SCETC) a、b、c、d、e、f为连续缝焊,h、i、j、k为有限长度焊。 高频焊 15 第二节 高频焊设备与工艺 一、高频焊设备与安全技术 (一)高频焊设备 高频焊设备主要用于 制管,图 5-6为高频焊 制管机组,它是由水平 导向辊、高频发生器及 输出装置、挤压辊、外 毛刺清除器、磨光辊、 机身以及一些辅助机构、 工具等部分组成,其中 高频发生器与焊接辅助 装置对焊管质量和生产 效率起关键作用。 LEE MAN (SCETC) 高频焊 16 1.高频发生器 管用的高频发生器 电动机-发电机组 固体变频器 电子管高频振荡器 频率为100~500kHz 电动机驱动高频发电机,频率为3000~10kHz 最常用的高频振荡器功率范围为 60~400kw。 LEE MAN (SCETC) 高频焊 频率为 200~400kHz的电 子管高频振荡器的基本线所示。电网经电路开 关、接触器、晶闸管调压器 向升压变压器和整流器供电, 升压变压器和整流器的作用 是将电网工频交流电转变为 高压直流电供给振荡器,为 保证电压脉动系数小于1%, 必须在高压整流器的输出端 加设滤波器装置。振荡器将 高压直流电转变为高压高频 电供给输出变压器,最后输 出变压器再将高电压小电流 的高频电转变为低电压大电 流的高频电,并直接输送给 电极(滑动触头)或感应圈。 该振荡器采用晶闸管调整高 频振荡器的输出功率。 LEE MAN (SCETC) 17 高频焊 2.电极触头 又叫接触子 作用:向工件传导高频电流。 工作条件:高温和高速滑动摩 擦(连续高频焊时)。 对材料要求:高的导电性、高 温强度、硬度和耐磨性。 材料:铜钨、银钨或锆钨等合 金材料。 如图5-8所示。触头块2尺寸:宽4~ 7mm,高6.5~7mm,长15~20mm,用 银钎焊方法将触头块焊到由铜或钢制的 触头座1上。该电极可传导500~5000A 焊接电流,对管壁的压力为22~220N。 18 LEE MAN (SCETC) 高频焊 3.感应圈 感应圈是高频感应焊 制管机的重要组件,其 结构形状及尺寸大小对 能量转换和效率影响 很大,图5-9所示为感应 圈常用结构,通常由纯 铜方管、圆管或纯铜板 制成的单匝或2~4 匝金属环组成,外缠绝 缘玻璃丝带并浇灌环氧 树脂以确保匝间绝缘, 内部通水冷却。 19 LEE MAN (SCETC) 高频焊 4.阻抗器 作用:增加管内电流通道的感抗,以减小无效电流,增大焊接有效电流, 提高焊接速度。 20 材料:一种或多种高磁导率的铁氧体组成。 阻抗器磁心由直径为Ф 10mm的磁棒组 成,外壳为夹布胶木或玻璃钢,在易于 发生损坏的场合亦可采用不锈钢和铝等。 阻抗器内部应能通水冷却,以免焊时发 热而影响导磁性能。 在管材或筒形件的焊接中,高频电阻焊或感应焊都有 无用的的电流围绕着管子或筒内表面流动,耗散电流, 在管子内放置磁铁棒(阻抗器),可减小无效电流。 LEE MAN (SCETC) 高频焊 21 高频焊管生产线除高频焊制管机组外,还有其他相关设备,如开卷 机、直头机、矫平机、活套、矫直机、铣头倒棱机、飞锯机、剪切对 焊机等,在设备选用时需同时考虑。 目前,国内生产的金属管焊接用高频感应加热设备主要技术参如下。 功率档次:60kw、100kw、200kw、300kw、400kw、600kw、 700kw、800kw;频率档次:200 ~ 300kHz、400kHz、600kHz、 1~2MHz;焊管直径:Ф (8 ~ 48)mm、 Ф (20 ~ 45)mm。Ф (20 ~ 76)mm、 Ф (60 ~ 114)mm、 Ф (90 ~ 219)mm、 Ф (114 ~ 273)mm;焊管壁厚:δ(0.5 ~ 1.0)mm、 δ (1.25 ~ 2.75)mm、 δ (2.75 ~ 4)mm、 δ (3.5 ~ 12)mm;焊接方式: 直缝焊、螺旋焊、感应焊、电阻焊。 LEE MAN (SCETC) 高频焊 22 LEE MAN (SCETC) 高频焊 23 LEE MAN (SCETC) 高频焊 (二)高频焊的安全技术 24 高频焊时,影响人身安全的最主要因素在于高频焊电源,高频发生器回路中的电压非常 高,如果操作不当,一旦发生触电,必将导致严重人身事故。因此,为确保人员与设备的 安全,除电源设备中已设置的保护装置外,通常还特别注意采取以下一些措施: 1)高频发生器机壳与输出变压器必须良好接地,接地线应尽可能地短而直,接地电阻 应不大于4Ω;而且设备周围特别是工人操作位置还应铺设耐压35kV的绝缘橡胶板。 2)禁止开门操作设备,在经常开闭钓门上设置联锁门开关,保证只有门处在紧闭时, 才能启动和操作设备。 3)停电检修时,必须拉开总配电开关,并挂上有人操作、不准合闸的标牌;在打开机 门后,还需用放电棒使各电容器组放电。放电后,才开始具体检修操作。 4)一般不允许带电检修,如必要时,操作者必须穿绝缘鞋、带绝缘手套,并必须另有 专人监护。 5)启动操作设备时,还应仔细检查冷却水系统,只在冷却水系统工作正常情况下,才 准通电预热振荡管。 此外,因为高频电磁场对人体和周围物体有作用,如可使周围金属发热,可使人体细胞 组织产生振动,引起疲劳、头晕等症状,所以对高频设备裸露在机壳外面的各高频导体还 需用薄铝板或铜板加以屏蔽,使工作场地的电场强度不大于40 V/m。 LEE MAN (SCETC)

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