Законы и явления, лежащие в основе процесса высокочастотной сварки.

Высокочастотная сварка металлов основана на использовании законов электромагнитной индукции и полного тока, а также следующих явлений: поверхностного эффекта, эффекта близости, кольцевого или катушечного эффекта, влияния магнитопроводов и медных экранов на распределение тока в проводнике, изменения свойств металлов при изменении температуры и напряженности магнитного поля, возникновения электромагнитных сил [8, 31, 45].

Эти законы и явления необходимо учитывать при выборе параметров процесса и конструировании устройств для передачи сварочного тока к изделиям.

Закон электромагнитной индукции. Закон полного тока. Известно, если магнитный поток Ф, проходящий сквозь поверхность, ограниченную некоторым контуром, изменяется во времени, то в этом контуре индуктируется (наводится) ЭДС. Мгновенное значение ЭДС - е определяется по формуле

(1.1)

где Е инд – вектор напряженности электрического поля (наведенного); d1 – вектор, равный длине участка контура dl и направленный по касательной к контуру в сторону обхода; dF магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, за время dt.

Направление ЭДС определяется правилом правоходного винта. Если закручивать винт так, что его острие двигается по направлениию магнитных сил при возрастании потока, то положительное направление для наведенной ЭДС совпадает с направлением вращения головки этого винта. В действительности наведенная Электро Движущая Силой в этот момент имеет отрицательное направление, поэтому в формуле (1.1) поставлен знак минус. Формула (1.1) справедлива и для воображаемого контура (не образованного проводником), представляющего собой геометрическое понятие. Этот контур может лежать в проводнике или диэлектрике или частично в проводнике, а частично в диэлектрике. Если контур образован проводником и имеет W витков, то в формуле (1.1) значение потока Ф должно быть заменено потокосцеплением Y, равным алгебраической сумме потоков, пронизывающих каждый из витков. Если все витки пронизываются одинаковым потоком, то Y=WF.

Полное или результирующее потокосцепление, пронизывающее контур, создается не только внешним по отношению к данному контуру полем, но и собственным потоком, возникающим при протекании по нему электрического тока. При изменении тока в контуре в нем возникает ЭДС самоиндукция, которая прямо пропорциональна скорости его изменения: где L – коэффициент самоиндукции (индуктивность), зависящий от геометрических размеров контура и числа витков.

Закон полного тока, выведенный на основании экспериментов, устанавливает количественную связь между линейным интегралом вектора напряженности магнитного поля Н вдоль любого произвольного замкнутого контура и алгебраической суммы токов, охваченных этим контуром:

(1.2)

При вычислении правой части уравнения (1.2) необходимо учитывать токи проводимости, переноса и смещения, т.е. определять полный ток через поверхность, ограниченную контуром.

Законы полного тока (1.2) и электромагнитной индукции (1.1) были преобразованы Максвеллом в систему уравнений:

rotH=d+¶D/dt; (1.3)

rote=-¶B/dt, (1.4)

где d - плотность тока проводимости, А/м²; D=e₀eE –электрическая индукция, К/м² (e₀=8,86×10^-12 – диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; e- относительная диэлектрическая проницаемость); Е – напряженность электрического поля, В/м; В=m₀mН – магнитная индукция, Т (m₀=4p×10^-7 –магнитная проницаемость вакуума, Г/м; m - относительная магнитная проницаемость).

Поверхностный эффект. Глубина проникновения тока. Поверхностный эффект проявляется в неравномерном распределении переменного тока по сечению проводника. Наибольшая плотность тока наблюдается у наружной поверхности проводника. По мере удаления от наружной поверхности плотность тока плавно уменьшается. Чем выше частота, тем быстрее снижается плотность тока. При весьма высокой частоте ток проходит лишь по тонкому поверхностному слоя проводника. Поверхностный эффект существенно увеличивает активное сопротивление проводников, что значительно усложняет передачу переменного тока. Однако поверхностный эффект позволяет сконцентрировать выделение энергии в поверхностных слоях нагреваемого изделия, что важно при закалке, высокочастотной сварке и т.д.

Рассмотрим влияние поверхностного эффекта на примере протекания переменного тока по ширине прямоугольного сечения. При достаточно больших размерах шины ее можно рассматривать как полуограниченное металлическое тело с плоской поверхностью(полубесконечность), на которую падает плоская электромагнитная волна. Падающая волна частью отражается от поверхности проводящей среды, частью проникает в эту среду и поглощается в ней. Примем дополнительно, что магнитная проницаемость m и удельное электрическое сопротивление r проводящей среды постоянны во всем исследуемом объеме. Значения комплексных амплитуд напряженности магнитного поля H_m и электрического E_m полей длин волн, прошедшей через плоскую поверхность полубесконечной среды, получены на основании решения уравнений Максвелла (1.3) и (1.4) при условии, что H и E – синусоидальные функции времени [31,45]:

Таким образом, по мере проникновения плоской электромагнитной волны в проводящую среду модули амплитуд H_m , E_m и d_m уменьшаются по экспоненциальному закону. Во всех точках среды, в том числе и на ее поверхности, напряженность электрического поля опережает по фазе напряженность магнитного поля на угол p/4. Кроме того начальная фаза колебаний H, E и d изменяется пропорционально: х. По мере проникновения волны в глубь среды колебания все более запаздывает по фазе по сравнению с колебаниями этих величин на ее поверхности. Расстояние, на котором фаза изменится на 2p, называется длиной волны и определяется на условия l/D=2p

или l=2p×D.

Из этих соотношений видно, что понятие глубины проникновения взято условно. С большим основанием можно сказать, что волна почти полностью затухает на глубине, равно l. Однако, понятие глубины проникновения весьма важно по ряду соображений. В слое толщиной D протекает примерно 85,89% полного тока и выделяется 86,5% полного тока и выделяется 86,5% мощности.