Электроконтактный нагрев металлических деталей

Электроконтактный нагрев — назначение, устройство, принцип действия

Области применения электроконтактного нагрева

Установками прямого нагрева принято называть такие, в которых преобразование электрической энергии в тепловую происходит в нагреваемом материале или изделии при непосредственном подключении их к источнику питания электроэнергией за счет прохождения через них электрического тока по закону Джоуля–Ленца. Прямой нагрев эффективен для термообработки изделий, обладающих равномерным сечением по длине и значительным омическим сопротивлением. Прямой нагрев не имеет пределов по достижимым температурам, обладает высокой скоростью, пропорциональной вводимой мощности, и высоким КПД.

Установки контактного нагрева предназначены для деталей простой формы (валов, осей, лент), нагрева заготовок под ковку, отжига труб, проволоки, пружинной проволоки под навивку. Существуют печи прямого нагрева периодического действия для спекания прутков и штабиков из порошков редких и тугоплавких металлов при температуре до 3000 К в защитной атмосфере. Деталь (заготовку) включают в электрическую цепь и нагревают протекающим по ней электрическим током. Так как сопротивление цепи мало, то для нагрева необходим ток большой силы, который подводят к ней при помощи массивных медных или бронзовых зажимов. (контактов).

Нагревать можно постоянным или переменным током, однако практически применяется только переменный ток, так как необходимые для нагрева токи в сотни и тысячи ампер при напряжении от десятых долей вольт до 24 В могут быть наиболее просто получены лишь при помощи трансформаторов переменного тока. Трудность подвода тока к детали — один из существенных недостатков контактного нагрева деталей. Зажимы должны иметь хороший контакт с деталью. В промышленных установках прямого нагрева для этого применяют пневмо- и гидроприводы, для снижения температуры в контактах делают их водоохлаждаемыми.

Установка прямого нагрева включает в себя следующие основные узлы:

а) понижающий трансформатор, монтируемый в кожухе установки с обмоткой, охлаждаемой водой, и несколькими ступенями напряжения в диапазоне 5–25 В, обеспечивающий нагрев тел, имеющих разное сопротивление;

б) токопровод от выводов обмотки низкого напряжения трансформатора до водоохлаждаемых зажимов;

в) зажимы, обеспечивающие крепление нагреваемого изделия и необходимое давление в контактах подвода питания;

г) привод контактной системы;

д) приборы контроля и автоматического регулирования процесса нагрева.

В установках непрерывного действия для нагрева проволоки, труб, прутков применяются твердые роликовые или жидкостные кон-такты.

Печи прямого нагрева используются также для графитизации угольных изделий, получения карборунда и т. д. Графитировочные печи выполняют однофазными, прямоугольной формы с разъемными стенками. В них достигается температура 2600–3100 К в вакууме или нейтральной атмосфере. Диапазон регулирования вторичного напряжения 100–250 В, потребляемая мощность 5–15 тыс. кВ×А.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Нагрев металла сварочным током

Все токоведущи элементы нагреваются электрическим током, а количество тепла, выделяемое на любом участке электрической цепи с активным сопротивлением R=R(t), которое является функцией от t и τ при токе I=I(t) в зависимости от времени t определяется законом Джоуля-Ленца:

Это общая формула, которая не показывает и не определяет конкретных температур в зоне соединения при нагреве его сварочном током.

Однако надо помнить, что величина R и I в значительной мере зависит от длительности протекания этого тока.

Контактные машины конструктивно изготовлены так, что наибольшее количество теплоты выделяется между электродами.

У шовной точечной сварки наибольшее количество участок электрод-электрод, общее количечтво сопротивления складываются из сопротивления электрод- деталь + деталь- деталь+ деталь+ электрод- деталь

Все составляющие общего сопротивления Rээ непрерывно изменяются в течении термического цикла сварки.

Контактное сопротивление – Rдд является самым большим по величине, т.к. контактирование осуществляется по микровыступам и площадь физического контакта мала.

Кроме того на поверхности детали присутствуют окисные плёнки и различные загрязнения.

Т.к. свариваем в основном стали и сплавы, обладающие значительной прочностью, то полное смятие микроенровностей происходит лишь при нагреве их сварочным током до тепмератур около 600градС

Сопротивление в контакте электрод- деталь значительно меньше Rдд, т.к. более мягкий и более высокотеплоэлектропроводный материал электродов активно внедряется между выступов микронеровностей деталей.

Повышенное сопротивление в контактах также из-за того, что в контактных областях резкое искривление линии тока, что определяет более высокое сопротивление за счёт увеличиния пути тока.

Сопротивление контактов Rдд и Rэд в значительной мере зависит от очистки поверхности под сварку.

Измеряя 2 пластинки, толщиной 3мм очень сильно сжатые 200Н по схеме амперметр-вольтметр, получили следующие значения:

Зачистка поверхностей кругом и шлифованием: 100мкОм

На практике применяют травление ( при сварке больших поверхностей), обработка поверхностей металлическими щётками, пескоструйная и дробеструйная обработка.

При контактной сварке стараются применять холоднокатаный прокат на поверхности которого могут быть остатки масла.

Если нет ржавчины на поверхности, то достаточно обезжирить свариваемые поверхности.

Контактное сопротивление чистых, но покрытых окисью деталей уменьшается с ростом усилий сжатия. Это объяснятся большей деформацией микровыступов.

Включаем ток, наибольшая плотность линии тока сосредотачивается на ювенильных поверхностях. Ток через контакты, образовавшегося при деформации микровыступов.

В начальный момент времени плотность тока в материале детали меньше, т.к. линии тока распостранены относительно равномерно, а в контакте деталь- деталь ток течёт только через зоны проводимости, следовательно, плотность тока выше, чем в основной массе детали и тепловыделения и нагрев в этой области более значительны.

Металл в контакте станет пластичным. Он деформируется под действием сварочного усилия, площадь проводящих контактов будет возрастать и при достижении t=600 градС ( ерез сотые доли секунды) микровыступы полностью деформируются, окисные плёнки частично разрушаться, частично диффундируют в массу детали и роль контактного сопротивления Rдд перестанет быть первостепенной в процессе нагрева.

Однако к этому моменту температура в области контакта деталь-деталь будет наиболее высокой, удельное сопротивление материала ρ — наибольшее и тепловыделение будет более интенсивным всё равно в этой зоне.

При достаточных плотностях тока длительности его протекания именно там начинается плавление металла.

Появлению изотермы плавления именно в контакте деталь-деталь будет способствовать наименьший теплоотвод из этой области, собственное сопротивление детали.

Rд=, где

S=

Rд = *A

Коэффициент А увеличивает растекание линии тока в массу детали, при этом происходит увеличение реальной площади растекания

А= 0,8-0,95, зависит от твёрдости материала, а в большей степени от удельного сопротивления.

От соотношения dk/δ= 3-5 А=0,8

Очевидно, что сопротивление детали зависит от толщины, это учитывается коэффициентом А и от удельного электрического сопротивления материала детали ρ, оно зависит от химического состава.

Кроме этого удельное сопротивление зависит от температуры

В процессе сварки при протекании тока t измеряется от контактной до tпл и выше

При достижении tпл удельное сопротивление скачком увеличивается.

αρ- температурный коэффициент

αρ=0,004 1/градС- для чистых металлов

αρ=0,001-0,003 1/градС- для сплавов

Значение αρ падает с увеличением степени лигирования.

С ростом температуры металл как в контакте, так и в основной массе под электродами деформируется, площадь контакта возрастает и если рабочая повехность электродов сферическая, то площадь контакта может увеличиваться в 1,5-2 раза.

График изменения сопротивления в процессе сварки.

В начальный момент времени сопротивление детали растёт вследствие увеличения температуры и роста удельного электрического сопротивления , затем метал становится пластичным и начинает увеличиваться площадь контакта вследствие вдавливания электродов в поверхность детали, а также увеличение размеров площади контакта деталь-деталь.

Общее сопротивление будет снижаться по мере выключения сварочного тока. Однако это справедливо для сварки углеродистых и низколегированных сталей.

Для сварки жаропрочных Ni и Cr сплавов, сопротивление может даже вырастать.

Закон Джоуля-Ленца Q=IRt показывает тепловыделение в токоведущих элементах, а происходят ещё процессы теплоотвода.

Благодатя активному охлаждению электродов и увеличению теплоотвода в них получаем чечевицеобразную форму литого ядра.

Но такую форму не всегда удаётся получить, особенно при сварке разнородных, разнотолщинных материалов и тонких деталей.

Зная характер температурного поля в зоне сварки можно проанализировать:

1) Размеры литого ядра.
2) Размер ЗТВ (структуры)
3) Величину остаточных напряжений, т.е. свойства соединений.

Температурное поле- совокупность температур в различных точках детали в определённый момент времени.

Точки с одинаковой температурой, соединённые линией называются изотермой.

Размер чистого ядра на микрошлифе называет изотерму плавления по границам литого ядра.

В конечном счёте на температуру и размер изотермы плавления т.е. литого ядра, влияет в основном сопротивление детали.

Основоположник- Гельман, взял две детали 2+2мм, отшлифовал, протравил и получил литое ядро; взял детали и получил тоже литое ядро.

Однако трудности, возникающие при сварке разнородных толщин вынуждают исследовать распределение тепловых полей в зоне сварки.

Плотность тока – это количество зарядов, проходящих в течение 1 секунды через малую площадку, перпендикулярную направлению движения зарядов, отнесенная к длине ее поверхности.

Для использования вычислительной техники разбивают на большое количество ячеек (сетку)

В каждой ячейке считается ее потенциал .

По программе определяем плотность тока в каждой ячейке, строим по сечениям распределение плотности тока.

Распределение плотностей тока показывает лишь зоны, где будет происходить нагрев без учета теплоотвода, нам надо знать распределение температур в зоне сварки.

Для этого используют уравнение Фурье в дифференциальной форме:

Свариваемость. При контактной точечной и шовной сварке.

Источник

Можно ли использовать сварочный инвертор для разогрева стального прутка (катанки)

Вопрос следующий: В свое время в форуме «электрика» на вопрос чем оттаивать весной забитую льдом трубу под въездом на участок посоветовали рассчитать допустимую длину толстой стальной проволоки для подлключения к сварочнику.

Вопрос тонкого рассчета я пока оставляю за рамками, но скажу, на всякий случай что длина трубы около 8 метров, в худшем случае она вся может быть забита льдом, один раз — два раза в год, весной может понадобиться протаять путь для воды — 1-2 см диаметром, далее вода размоет понемногу отверстие.

Нагревательный кабель ради такого применения закладывать нерентабельно, поэтому и был совет заложить осенью проволоку и весной раз или два дать на нее токовую нагрузку сварочником.

Получается проволоки закладывать нужно будет около 17 метров. В распоряжении инвертор типа ТОР 200 ( 200 ампер постоянного тока ) Реально ?

AlexIvK написал :
поэтому и был совет заложить осенью проволоку и весной раз или два дать на нее токовую нагрузку сварочником.

куда закладывать , какая труба ?

Не получится. У инверторов хорошая защита, которая сразу отключит мощность при КЗ на выходе. Это сделано для защиты инвертора в случае залипания электрода. А вот трансформаторами сварочными народ у нас стальные трубы отогревает зимой.

В дренажной канаве, под плитой под въездом на участок лежит бетонная труба 8 метров длиной.
Этой весной была проблема, выше по течению скопилось озерцо.

а скажем, увидит ли инвертор КЗ, если при рассчитанном сечении и сопротивлении проволоки и известной длины проволоки проволоки ток, проходящий по проволоке не превысит токов КЗ ?

AlexIvK написал :
Получается проволоки закладывать нужно будет около 17 метров. В распоряжении инвертор типа ТОР 200 ( 200 ампер постоянного тока ) Реально ?

Думаю это вполне реально.
Я провожу испытания инверторов на ПВ, примерно таким образом:
Беру пружину для закрытия входных дверей в хоз товарах примерно от 30 до 60 руб.. Какая есть в магазине.
Например у меня 3 пружины из проволки ф2.0 мм около 100 витков примерно в размотанном состоянии 5 метров. Сопротивление одной пружины составляет около 0.3 ома. Если сварочник выдает 30 Вольт (под нагрузкой), то понятно, что на этой нагрузке будет около 100А можно уменьшать регулятором, увеличивать вряд ли. Продолжительность включения зависит от ПВ инвертора на этом токе, обычно у такого инвертора около 80-100%, т.е. 8 — 10 минут. Этого вполне достаточно, т.к. провод на токе 100А достаточно сильно нагревается. Думаю достаточно 30А, тогда инвертор без особого напряга может работать достаточно продолжительно.
Поэтому берите проволку примерно ф2.0 мм и длинну ваши 15 — 18 метров и все. Вначале испытайте без трубы с помощью амперметра (постоянного тока). Естественно обеспечить легкую изоляцию от трубы, можно керамическими шайбами от спиралей для электроплитки.
Пружина хорошо разматывается под нагревом. Подключаешь к инвертору даешь 50-100А она нагревается, отключаешь и растягиваешь, пока горячая.
Все делаем без фонатизма.
Да если в инверторе есть «Антиприлипалка», при включении ручку регулятора на минимум, а затем добавляем ток.
Удачи.

Источник