固態(tài)高頻焊接薄壁H型鋼試驗(yàn)

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州市成人中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校 （河北 065700） 秦文政

1. 概述

H型鋼由上翼板、腹板及下翼板組成，如圖1所示。上翼板與腹板用一臺(tái)固態(tài)高頻電源加熱焊接，下翼板與腹板用另一臺(tái)固態(tài)高頻電源加熱焊接，兩臺(tái)同時(shí)工作，連續(xù)焊接。

圖1 焊接示意

薄壁H型鋼尺寸如圖2所示，試驗(yàn)用接觸焊，接觸焊頭如圖3所示。

圖2 H型鋼

圖3 H型鋼導(dǎo)電滑塊示意圖

觸頭為純銅20mm×8mm，接觸面為160mm2，氣缸內(nèi)徑30mm，面積為700mm2，空壓機(jī)壓力為2kg/cm2，觸頭與帶鋼的壓力為7cm2×2kg/cm2＝140N·m。

2. 薄壁H型鋼高頻焊接原理

高頻焊接是根據(jù)兩個(gè)電磁效應(yīng)：趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。

趨膚效應(yīng)：高頻電流只在導(dǎo)體表層流過(guò)，表層的電流密度最大，導(dǎo)體深層電流密度較小，這種高頻交變電流的趨表現(xiàn)象，被稱(chēng)為電流的趨膚效應(yīng)。

高頻交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，由于趨膚效應(yīng)的影響，電流只在導(dǎo)體表面層通過(guò)，表面層的深度與導(dǎo)體的性質(zhì)和電流頻率的高低有關(guān)，故通常將此表面層的深度或厚度稱(chēng)之為電流穿透深度。

鄰近效應(yīng)：兩個(gè)相鄰導(dǎo)體各自流過(guò)交變高頻電流時(shí)，由于電磁相互影響，使電流重新分布，且產(chǎn)生電流偏向一邊的特性，我們稱(chēng)之為鄰近效應(yīng)。

導(dǎo)體間的距離越近，鄰近效應(yīng)越顯著。鄰近效應(yīng)與趨膚效應(yīng)不同之處，在于電流密度的分布不僅取決于導(dǎo)體本身的磁場(chǎng)，而且與鄰近導(dǎo)體磁場(chǎng)的作用有關(guān)。高頻焊接是利用趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使電流集中帶鋼邊緣，因而被加熱成熔融（碳鋼1350～1400℃）狀態(tài)，然后壓合、冷卻成一體。高頻焊接所包括的三個(gè)過(guò)程：加熱、壓合、冷卻。

3. 非對(duì)稱(chēng)型與對(duì)稱(chēng)型焊接試驗(yàn)

所謂對(duì)稱(chēng)型是指被焊工件形狀“對(duì)稱(chēng)”，焊接電流的路徑“對(duì)稱(chēng)”，否則就是“非對(duì)稱(chēng)”。如圖1所示，腹板與翼板形狀不對(duì)稱(chēng)。箭頭分別代表接觸焊的觸頭，表示電流由此進(jìn)去，表示電流由此出來(lái)。在焊接過(guò)程中，非對(duì)稱(chēng)焊接，腹板邊緣溫度約有1000℃，翼板溫度只有700℃，剛紅。這是由于電流不集中，鄰近效應(yīng)未能很好發(fā)揮造成的。無(wú)論我們?cè)鯓幼儞Q觸頭位置、距離及開(kāi)口角度，都達(dá)不到焊接溫度，尤其下翼板電流分散更為明顯，加熱區(qū)變寬，熱量不能集中，是溫度升不上去的原因。如果將上、下翼板從中一分為二，如圖4所示，腹板夾在左右翼板中間，就成了對(duì)稱(chēng)型。

固態(tài)高頻電源通過(guò)接觸焊的觸頭將高頻電流接到左上翼板和右上翼板，另一臺(tái)固態(tài)高頻電源接到左下翼板和右下翼板。鄰近效應(yīng)將帶鋼兩內(nèi)側(cè)加熱至1350～1400℃，壓合輥將處于熔融狀態(tài)帶鋼壓合。

圖4 對(duì)稱(chēng)型焊接

實(shí)踐證明，焊接壁厚2mm的H型鋼，對(duì)稱(chēng)焊是行之有效的方法，試驗(yàn)最大焊接電流1500A，最高焊接速度10m/min。

經(jīng)驗(yàn)證明，開(kāi)口角β=4°～7°最佳，圖5為對(duì)稱(chēng)型焊接兩工件的開(kāi)口示意。壓合輥中心線到接觸焊頭中心的距離為50mm，兩帶鋼邊之間的距離為4.4～6.4mm。

圖5 對(duì)稱(chēng)焊接開(kāi)口角

若以帶鋼邊之間為4.4mm距離為例，計(jì)算開(kāi)口角β=5°。

調(diào)節(jié)a與β值，能改善焊接效率與焊接質(zhì)量。a值增加，電耗增加，β角減少，加強(qiáng)了鄰近效應(yīng)。a值在機(jī)械安裝位置允許條件下，盡量讓接觸焊觸頭靠近壓合輥。

本公司對(duì)薄壁H型鋼的高頻焊接試驗(yàn)，使用了兩臺(tái)60kW頻率400kHz的固態(tài)高頻焊機(jī)，在公司內(nèi)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，得出對(duì)稱(chēng)焊接是行之有效的方法，并于2013年4月，用于某五金加工廠試驗(yàn)性生產(chǎn)，也取得了滿意的效果。

4. 結(jié)語(yǔ)

用固態(tài)高頻焊接薄壁H型鋼，由于節(jié)能降耗，可自動(dòng)連續(xù)焊接，因而可大幅提高生產(chǎn)速度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。如果再加大固態(tài)高頻的功率，還可提高焊接速度，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。