Магнитно-импульсная сварка

При серийном производстве магнитно-импульсные установки должны быть достаточно универсальны для получения сварных соединений различных типоразмеров. [8]

2.3 Схемы магнитно-импульсной сварки и классификация сварных соединений

Схемы магнитно-импульсной сварки можно классифицировать по величине начального угла a₀ между свариваемыми поверхностями и расположению индуктора относительно метаемой детали.

Данная классификация позволяет выделить шесть принципиально отличных схем магнитно-импульсной сварки.

Рис. 2.2. Возможные схемы осуществления магнитно-импульсной сварки: 1 - метаемая деталь; 2 - неподвижная деталь; 3 - индуктор.

Схемы I, II,, III и IV осуществляются при а₀>О. При этом угол а₀ может быть создан как за счет метаемой детали (схемы I и II), так и за счет неподвижной детали (схемы III и IV).Схемы V, VI осуществляются при а₀=О.

Перед сваркой соединяемые поверхности деталей обезжиривают, зачищают проволочной щеткой и устанавливают в приспособление согласно одной.

При сварке по схеме I конец метаемой трубы в форме сужающегося усеченного конуса входит в цилиндрическое отверстие детали (трубы) 2. Снаружи на деталь 2 надевается разъемное кольцо, предотвращающее ее деформацию в зоне сварки. Если деталь 2 выдерживает импульсное давление сварки без остаточной деформации, необходимости в разъемном кольце нет. Внутрь свариваемого конца трубы 1 устанавливают индуктор З.

При сварке по схеме II конец метаемой трубы 1 в форме расширяющегося усеченного конуса устанавливается на поверхности трубы или детали 2 с цилиндрической наружной поверхностью на конце. Если тонкостенная труба 2 не может выдержать импульсное давление сварки без остаточной деформации, ее свариваемый участок заполняют каким-либо твердым материалом. На свариваемый конец трубы 1 устанавливают индуктор З.

При сварке по схеме III труба 1цилиндрическим концом вставляется в отверстие детали (трубы) 2, выполненное в виде усеченного конуса. При необходимости снаружи на деталь 2, как и при сварке по схеме I, надевается разъемное кольцо.

При сварке по схеме IV труба 1 цилиндрическим концом устанавливается на детали (трубе) 2, имеющей в зоне свари участок в виде усеченного конуса. Если деталь 2--тонкостенная труба-- не выдерживает импульсного давления сварки без остаточной деформации, ее свариваемый участок заполняют каким-либо твёрдым материалом. На свариваемый конец трубы 1 устанавливают индуктор 3.

При сварке по схеме V труба 1 цилиндрическим кондом вставляется в отверстие детали 2, имеющее в зоне сварки цилиндрический участок. Снаружи на деталь 2, как и при сварке по схеме 1, при необходимости надевают разъемное кольцо. Внутри свариваемого конца трубы 1 устанавливают индуктор 3.

При сварке по схеме VI труба 1 цилиндрическим концом устанавливается на детали 2, имеющей в зоне соединения участок с цилиндрической наружной поверхностью, деталью 2 может быть труба или любая другая деталь, имеющая цилиндрическую наружную свариваемую поверхность. Если деталью 2 является тонкостенная труба, которая не выдерживает импульсное давление сварки без остаточной деформации. [3]

2.4 Методы контроля сварных соединений

Существующий уровень технологии магнитно-импульсной сварки не может гарантировать полное отсутствие дефектов в сварных соединениях. Они могут быть вызваны неконтролируемым отклонением технологических факторов (качество поверхностей деталей, точность взаимного расположения свариваемых поверхностей и т. п.), произвольным колебанием параметров режима сварки при работе магнитно-импульсной установки.

Для современного обнаружения дефектов и принятия соответствующих мер по их устранению необходим систематический контроль всех этапов производства сварных соединений.

Разработанные в настоящее время методы контроля соединений, получаемых контактной сваркой могут успешно применяться для контроля соединений, изготовляемых магнитно-импульсной сваркой.

На рисунке 2.3 показаны биметаллические образцы, полученные магнитно-импульсной сваркой (12Х18Н10Т+АД1), после испытания магнитным полем. В этом случае слой с хорошей электропроводностью расположен снаружи. Видно, что на двух образцах слева обнаружены местные непровары. На этих участках контролируемый слой деформировался. На правом образце разрушение при той же энергии разряда отсутствовало, что свидетельствует о качественном соединении по всей поверхности. Следует отметить, что подбор режимов контроля в данном случае обеспечил отсутствие деформации соединений и сохранение их размеров.

Рис. 2.3. Соединения 12Х18Н10Т+АД1, полученные магнитно-импульсной сваркой, после контроля магнитным полем.

Метод контроля соединений магнитным полем обладает рядом преимуществ: возможен как разрушающий так и не разрушающий контроль; давление равномерно по всей площади контролируемого соединения; метод прост, высокопроизводителен; процесс контроля может быть автоматизирован. Однако этот метод применим только для контроля соединений из металлов в сплавов с разной электропроводностью, что ограничивает область его применения.

Этого недостатка лишен метод контроля с помощью ударных волн. Сущность способа контроля нахлёсточных соединений труб с помощью ударных волн заключается в следующем.

На одной из поверхностей контролируемого соединения возбуждают ударную волну или волну сжатия. Волна, пройдя последовательно сквозь одну деталь, зону соединения и другую деталь, выходит на свободную поверхность последней.

Отразившись от нее, волна сжатия трансформируется в волну разгрузки, которая является волной растяжения. Волна растяжения последовательно проходит путь волны сжатия в обратном направлении, нагружая растягивающими усилиями сварное соединение. [12]

2.5 Технологическая схема магнитно-импульсной сварки

Существуют три основные схемы магнитно-импульсного деформирования с использованием индуктора:

1) обжим трубчатых заготовок индуктором, охватывающим заготовку;

2) раздача трубчатых заготовок индуктором, помещенных внутрь заготовки;

3) деформирование листовых заготовок плоским индуктором.

Эти схемы деформирования, широко применяемые в операциях штамповки, можно использовать при магнитно-импульсной сварке.

При деформировании давлением импульсного магнитного поля можно использовать импульсный понижающий трансформатор, разновидностью которого является кабельный трансформатор.

Основной элемент этого трансформатора -- высоковольтный коаксиальный кабель 2, намотанный в виде спирали.

Рис. 2.4. Кабельный трансформатор в цепи разряда магнитно-импульсной установки.

На каждом витке спирали проводящая оболочка кабеля срезана на небольшой длине так, что срезы расположены друг над другом, а их края соединены с плоскими шинами З или кабелями, соединяющими трансформатор с нагрузкой. При разряде батареи конденсаторов 1 первичный ток протекает по жиле кабеля, через концевые участки оболочки, сборные шины и нагрузку. В оболочке каждого из витков индуктируется э. д.с., создающая вторичный ток. Через нагрузку протекает суммарный ток.

Кабельные понижающие трансформаторы в ряде случаев позволяют существенно увеличить коэффициент использования конденсаторной батареи за счет лучшего согласования параметров индуктора и магнитно-импульсной установки, что особенно важно при использовании малоиндуктивных одновитковых индукторов с целью получения сильного импульсного магнитного поля.

Используя трансформаторы этого типа с различным числом витков и одну конденсаторную батарею, можно получить импульсы тока различной частоты.

К недостаткам кабельных трансформаторов следует отнести дополнительные омические и индуктивные потери, а также повышение стоимости системы.

Другой разновидностью импульсного понижающего трансформатора является концентратор магнитного потока, который широко применяется для обжима трубчатых заготовок. Схема деформирования с применением концентратора потока представлена на рис. Между индуктором 1 и деформируемой трубчатой заготовкой З помещен концентратор потока 2 -- массивный металлический виток с радиальным разрезом.

Рис. 2.5. Схема деформирования с применением концентратора магнитного потока.

При разряде батареи конденсаторов на индуктор в концентраторе наводится ток i_k, кратный числу витков индуктора. Направленный навстречу току индуктора ток i_k вследствие скин-эффекта сосредоточивается поверхностном слое S_k. Из-за радиального разреза ток i_k не замыкается по внешней поверхности, а направляется во внутреннюю полость концентратора, где, взаимодействуя с заготовкой З, наводит в ней ток i_k.

Уменьшая ширину зоны взаимодействия концентратора с заготовкой, можно локализовать давление магнитного поля на небольшом участке заготовки.

Вместе с тем становится возможной унификация деформирующего инструмента: использование сменных концентраторов для заготовок различных размеров при одном индукторе.

Существенным достоинством этой схемы деформирования является уменьшение удельных усилий на индуктор по сравнению с усилиями, действующими на обрабатываемую заготовку, что позволяет достигать больших давлений.

Использование концентратора потока, так же как и кабельного трансформатора, вызывает потери энергии. С этой точки зрения он менее эффективен, чем одновитковый индуктор, на который непосредственно разряжается конденсаторная батарея. Поэтому схему деформирования с концентратором потока целесообразно применять, когда по условиям согласования нагрузки с параметрами магнитно-импульсной установки требуется многовитковый индуктор, а длина индуктора по конструктивным соображениям не может быть уменьшена до требуемой длины зоны деформирования. Кроме того, радиальный разрез изменяет распределение магнитного поля, несколько уменьшая его в этой области.

В рассмотренных способах деформирования ток в заготовке наводится индуктором. Деформацию можно также осуществлять контактным способом, пропуская разрядный ток через заготовку и специальный электрод.

Деформирование контактным способом ограничено трудностями обеспечения надежного контакта между заготовкой и электродом в условиях движущейся заготовки и больших значениях тока по сравнению со способами деформирования с помощью индуктора.

Представляет интерес способ деформирования трубчатых заготовок с использованием электродинамических сил притяжения к индуктору, охватывающему заготовку, при котором используется так называемый срез импульсного тока. Деформирование при этом осуществляется импульсами разрядного тока, имеющими пологий фронт и крутой спад. Магнитное поле должно нарастать настолько медленно, чтобы перепад его не создал давления, превышающего предел текучести материала заготовки. После того как поле достигло определенного значения, оно должно быстро исчезать.

Поскольку поле со стороны проводящей заготовки, противоположной индуктору, будет уменьшаться значительно медленнее, оно деформирует заготовку в направлении индуктора. Для получения импульса магнитного поля такого вида требуются установки, оснащенные специальными устройствами для быстрого уменьшения магнитного поля в заданный момент.

Способ деформирования, основанный на использовании притягивающих усилий, целесообразно применять, когда нельзя расположить на заготовке индуктор для осуществления деформаций, основанных на использовании отталкивающих усилий. До настоящего времени нет данных о применении этого способа деформирования, видимо, потому, что в этом случае для деформирования требуется гораздо больше энергии, чем при использовании отталкивающих усилий, так как деформация и разгон заготовки начинаются при максимальном зазоре, что снижает к.п.д. процесса.

Хорошая проводимость деформируемых заготовок является одним из основных условий магнитно-импульсной обработки металлов, так как магнитное поле индуктора интенсивно воздействует на заготовку лишь в случае, если поле не успевает проникнуть сквозь стенки заготовки за время разряда. Поэтому плохо проводящие электрический ток материалы обрабатывают, используя покрытия с хорошей проводимостью.

Эффективность магнитно-импульсной обработки, особенности материалов с повышенными механическими характеристиками, можно повысить их предварительной горячей магнитно-импульсной обработкой - высокочастотным нагревом одновременно с воздействием сильных импульсных магнитных полей. В этом случае индуктор вначале служит для нагрева заготовки токами высокой частоты, а затем используется как деформирующий инструмент. Увеличение электрического сопротивления с повышением температуры нагрева обрабатываемых деталей, как правило, оказывает меньшее влияние на процесс деформирования деталей, чем уменьшение сопротивления пластической деформации. Поэтому при магнитно-импульсной обработке с предварительным нагревом деталей токами высокой частоты можно обеспечить значительно большие деформации, чем без нагрева. [14]

3. Инновации магнитно-импульсной сварки

Инновационная деятельность - это вид деятельности, связанный с трансформацией идей в новый или усовершенствованный продукт, внедренный на рынке, в новый или усовершенствованный технологический процесс, использованный в практической деятельности, либо как новый подход к социальным услугам.

Различают несколько видов инноваций:

*технические появляются в производстве продуктов с новыми или улучшенными свойствами;

*технологические возникают при применении более совершенных способов изготовления продукции;

*организационно-управленческие связаны с процессами оптимальной организации производства, транспорта, сбыта и снабжения;

*информационные решают задачи рациональной организации информационных потоков в сфере научно-технической и инновационной деятельности, повышения достоверности и оперативности получения информации;

*социальные направлены на улучшение условий труда, решение проблем здравоохранения, образования, культуры.

Инновационная продукция - это продукция, подвергавшаяся технологическим изменениям разной степени. Инновационная деятельность охватывает изделия новые (вновь внедренные), подвергавшиеся усовершенствованию, а также основанные на новых или значительно усовершенствованных методах производства.

Области разработок инноваций делятся на шесть основных категорий:

· обработка и получение наноматериалов;

· нанобиотехнология;

· программное обеспечение;

· нанофотоника;

· наноэлектроника;

· наноприборостроение.

Российский рынок нанотехнологий находится на начальном этапе своего становления. На настоящий момент доля России в общемировом технологическом секторе составляет около 0.3%, а на рынке нанотехнологий - 0.04%.

Главным направлением технического прогресса промышленности строительных материалов являются: создание новых и совершенствование существующих технологических процессов, обеспечивающих получение продукции с минимальными затратами энергетических, материальных и трудовых ресурсов; получение новых видов строительных материалов и изделий с заданными свойствами, отвечающими самым высоким требованиям; широкое внедрение малоотходных и безотходных технологий и т.д.

Наноразработки ведутся сейчас практически во всех отраслях промышленности, в том числе и в области сварки. Применяются различные усовершенствованные механизмы, методы, способы магнитно-импульсной сварки. [10]

К инновациям магнитно-импульсной сварки относится механизм импульсной подачи пучка электродов, заключающийся в том, что на обмотку двигателя подают импульс напряжения, причем первый импульс напряжения подают в период рабочего хода, а второй и последующие импульсы напряжения - в период холостого хода. Реализация управления по данному способу осуществляется по функциональной схеме, включающей источник питания постоянного или переменного тока, блок формирования управляющих импульсов рабочего хода с устройством их управления. Преимущество данного механизма в том, что производительность сварки увеличивается за счет подачи электродной проволоки пучком из нескольких электродов в программно-управляемом режиме. [16] Важно отметить и другое изобретение, которое может быть использовано в магнитно-импульсной сварке - это соединение или сварка металлических объектов посредством электромагнитного поля. Изобретение относится в общем к обработке металлов, а именно к способу и устройству для обработки металлических заготовок посредством импульсной энергии магнитного поля. Сущность изобретения: две заготовки соединяют вместе или сваривают между собой посредством побуждения движения первой из двух заготовок или ее части посредством импульсной магнитной силы, благодаря чему первая заготовка или ее часть сталкивается со второй и обе свариваются между собой, при этом величину магнитно-импульсной обработки устанавливают давлением.

Устройство содержит множество уникальных цепей формирования магнитного поля. Преимуществом такого устройства является то, что посредством соответствующей синхронизации триггеров для каждого из прерывателей может быть приложена серия импульсных магнитных сил, которые могут оказаться полезными для разных случаев применения.

Способ может быть использован для заготовок различной формы и из различных материалов. Благодаря использованию изобретения расширяются технологические возможности и повышается качество соединения частей. [15]

Заключение

Магнитно-импульсная обработка металлов основывается на использовании сил электромеханического взаимодействия между вихревыми токами, наведенными в стенках обрабатываемой детали при пересечении их силовыми магнитными линиями импульсного магнитного поля, и самим магнитным потоком импульса.

Электрофизические технологии основаны на использовании уникальных эффектов, возникающих под действием сильных электрических и магнитных полей. Они позволяют выполнять операции сложные или вообще недоступные для стандартных методов.

Разрабатывается оборудование и технологические процессы по техническим условиям заказчика по следующим направлениям:

1) Магнитно-импульсная обработка металлов - это метод бесконтактной обработки давлением заключается в высокоскоростном деформировании проводящих заготовок импульсным магнитным полем. За счет объемного характера воздействия, быстротечности процесса и давлений порядка 200 - 2000 атмосфер метод позволяет производить высококачественную сборку металлических узлов, сборку металлостеклянных и металлокерамических узлов, сложную штамповку, деформирование труднодеформируемых в нормальном состоянии металлов.

2) Обработка серией импульсов электромагнитного поля - спектр методов, основанных на действии высокочастотных импульсных сильных полей, применяющихся для биологической дезактивации, неразрушающей дефектоскопии, деформирования и диффузионной сварки металлов, катализа химических реакций.

Важно отметить и другое изобретение, которое может быть использовано в магнитно-импульсной сварке - это соединение или сварка металлических объектов посредством электромагнитного поля. Изобретение относится в общем к обработке металлов, а именно к способу и устройству для обработки металлических заготовок посредством импульсной энергии магнитного поля.

Использование магнитного поля как источника импульсных давлений получает все большее распространение в практике обработки металлов давлением. Перспективно его применение в порошковой металлургии для уплотнения порошков и при сварке металлов давлением.

Каждый год нашей промышленностью осваивается несколько тысяч новых изделий машиностроения и приборостроения. Сегодня новые товары составляют половину всей производимой промышленной продукции. Это требует от производства оперативности и гибкости способности к быстрой перестройке при замене одних изделий другими.

Магнитно-импульсная обработка один из видов ускорения обработки материалов и, следовательно, способствует увеличению конкурентоспособности предприятия и производимых им товаров. [4]

Список использованных источников

1. Бабков, В.В. Специальные методы сварки [Текст] / В.В.Бабков // Строительные материалы. - 2001. - №8. - С. 16-17.

2. Бадьянов, Б.Н. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов. [Текст] / Б.Н. Бадьянов. - Ульяновск: изд-во Ульяновский ГТУ, 2000 г. - 405с.

3. Белый, И.И. Сварка металлов [Текст] : учебник для подготовки рабочих на производстве / И.И. Белый ; М.: «Высшая школа», 2001. - 309 с.

4. Блащук, В.Е. Металл и сварка [Текст]: учебное пособие / В.Е. Блащук ; 3-е изд., перераб. и доп. - Москва : Стройиздат, 2006. - 144с.

5. Брюханов, А.Н. Сварочные процессы в электронном машиностроении [Текст] / А.Н. Брюханов // Коммерсант. - № 217 (2820) от 27.11.2003.

6. Квасницкий, В.В. Специальные способы сварки [Текст]: учебное пособие / В.В. Квасницкий ; Изд-во: Николаев, УДМТУ, 2003. - 437с.

7. Меркулов, Р.В. Теория сварочных процессов [Текст]: учебное пособие / Р.В. Меркулов ; М.: «Высшая школа», 2000. - 409 с.

8. Пешков, В.В. Специальные методы сварки и пайка [Тект] : практическое пособие / В.В. Пешков. - М.: «Высшая школа», 2005. - 187с.

9. Попов, О.Н. Автоматическая сварка [Текст] : учеб. метод. пособие / О. Н. Попов, Д. Г. Феткин ; под общ.ред. О.Н. Попова. - М. : Стройиздат, 2005. - 207 с.

10. Ресурсы Интернет [Электронный ресурс] Федеральный институт промышленной собственности. Режим доступа: http : www.fips.ru

11. Ренов, К.К. Словарь-справочник по сварке. [Текст] / К.К. Хренов. - Воронеж: ВГТУ, 2000 г. - 315с.

12. Саликов, В.А. Оборудование для контактной сварки [Текст] : справочное пособие / В.А.Саликов ; СПб.: Энергоатомиздат, 2000. - 848 с.

13. Стрижаков, Н. А. Автоматизированная установка для магнитно-импульсной сварки [Текст] : справочное пособие / Н. А. Стрижаков, И.С. Хахин, Бацемакин М.Ю. - 2-е изд. - М. .: Стройиздат, 2007. - 416с.

14. Хахин, Н.А. Магнитно-импульсная сварка [Текст] / Н.А. Хахаин // Сварка и диагностика. - 2007. - С.8-16

15. Пат. 2178349 Российская Федерация, МПК В21D26/14. Соединение или сварка металлических объектов посредством электромагнитного поля.

16. Пат. 2360774 Российская Федерация, МПК В23К9/12. Механизм импульсной подачи пучка электродов.

Размещено на Allbest.ru