Особенность высокочастотного метода нагрева состоит в выделении тепловой энергии в массе нагреваемого металла и возможность значительной концентрации электромагнитной энергии токов высокой частоты в поверхностных слоях нагреваемого металла вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости.

При нагреве т. в. ч. металлы помещают в магнитное поле высокой частоты, созданное током, протекающим по индуктору. В металле при этом индуктируется электродвижущая сила, вызывающая в нем ток. Вследствие поверхностного эффекта ток в нагреваемом изделии распределяется неравномерно — наибольшая плотность тока наблюдается в поверхностных слоях изделия. В нагреваемом т. в. ч. изделии увеличение плотности тока от центра к поверхности проводника происходит по экспоненциальному закону:

где δ_х — среднеквадратичное значение плотности тока на расстоянии х от поверхности провода; δ — среднеквадратичное значение плотности тока на поверхности проводника; Δ — глубина проникновения — расстояние от поверхности провода по направлению к его центру, на котором плотность тока убывает в е раз по сравнению с плотностью тока на поверхности.

Из вышеприведенного выражения следует, что при высокочастотном нагреве в поверхностных слоях можно получить высокие плотности тока и тем самым обеспечить быстрый нагрев металла.

Кроме поверхностного эффекта, для высокочастотной сварки используют так называемый эффект близости. Сущность этого эффекта заключается в следующем: если вблизи проводника с переменным током поместить другой проводник без тока или же с током, имеющим противоположное направление, то в первом случае вследствие электромагнитной индукции в проводнике возникнет э. д. с, и ток, направленные противоположно току в первом проводнике. Вследствие этого магнитные потоки от обоих токов в зазоре между проводниками, направленные в одну сторону, суммируются, а на наружных сторонах проводников, направленные встречно, ослабляются. Таким образом, в зазоре между проводниками напряженность магнитного поля увеличивается, а вне зазора, наоборот, уменьшается.

Вследствие этого плотности токов и поглощение энергии в проводниках увеличиваются в тех частях поверхности, которые обращены к другому проводнику, т. е. там, где напряженность магнитного поля больше, и уменьшаются на внешних частях поверхности, как это показано на рис. 63. Этот эффект способствует еще большей концентрации энергии в поверхностных слоях нагреваемого изделия.

Для контактной высокочастотной сварки труб с использованием эффекта близости разработаны технология и аппаратура (рис. 64).

Рис.63. Распределение переменного тока в параллельно расположенных шинах при противоположном направлении токов

Рис.64. Схема высокочастотной сварки продольного стыка трубы

Токоподводящие контакты, скользящие или вращающиеся, подводят ток высокой частоты к кромкам сформированной трубной заготовки. Вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости ток сосредоточивается на поверхностях сходящихся кромок. Трубная заготовка с разогретыми до необходимой температуры кромками поступает в обжимные валки, где и происходит сварка.

Шунтирующее сопротивление при высокой частоте велико и, кроме того, его можно увеличить введением во внутреннюю полость трубы ферритового сердечника, увеличивая при этом концентрацию тока на поверхности трубы.

Применение тока радиочастотного диапазона позволяет получить более высокую концентрацию энергии, чем при контактной и дуговой сварке.

Вследствие использования высококонцентрированного нагрева при высокочастотной сварке протяженность зоны термического влияния и зоны шва чрезвычайно мала и составляет 0,1—0,15 мм. В связи с этим сварной шов обладает высокими механическими и антикоррозионными свойствами, весьма близкими к свойствам основного металла. Применение высокочастотной сварки для изготовления труб из легированной стали позволяет получить скорости сварки, во много раз превышающие скорости при дуговой сварке.

Высокочастотная сварка может быть использована для стыковой сварки труб и сплошных сечений, это позволяет нагревать торцы поверхностей без их контакта и оплавления. Кроме того, имеется возможность получить сварные соединения с незначительным внутренним гратом.

Торцы труб зажимают в специальных зажимах с усилием, исключающим проскальзывание их при приложении осевого усилия (рис. 65). Стык трубы помещают в одновитковый индуктор и нагревают до сварочной температуры, после чего прикладывают давление осадки.

Частоту тока, используемого для нагрева металла при стыковой сварке труб При индукционном нагреве, выбирают из условия получения возможно более высокого к. п. д. индуктора и возможно большей скорости нагрева.

Критерием выбора частоты тока является диаметр d трубы и толщина ее стенки:

Глубина проникновения Δ_г._пр тока в металл, определяющая зону металла с максимальной температурой, т. е. толщину свариваемого металла, может быть получена из следующего выражения:

где р — удельное электросопротивление металла трубы, Ом-см; μ — относительная магнитная проницаемость.

С помощью высокочастотного нагрева можно наплавлять твердые сплавы на режущие кромки различных инструментов.

На рис. 66 представлена схема армирования твердыми сплавами зубьев буровых долот. Твердый сплав в виде порошка или брикета укладывают на армируемую грань зуба и в таком виде нагревают т. в. ч. В процессе нагрева расплавляются брикет и металл зуба, при этом зерна твердого сплава проникают в основной металл на глубину 2—3 мм. Продолжительность наплавки одного зуба составляет 10—27 с.

Рис.65. Схема стыковой сварки труб:1 — трубы;2 — зажим;3 — трансформатор;4 - индуктор

Рис.66. Схема наплавки твердых сплавов на зубья буровых долот:1 — индуктор;2 — брикет твердого сплава

Основные преимущества сварки с нагревом т. в. ч.: возможна сварка труб из высокоактивных металлов, аустенитных и жаропрочных сталей и сплавов; прочность сварных соединений не уступает прочности основного металла; обеспечиваются высокая производительность и стабильность процесса; процесс нечувствителен к состоянию поверхности металла, легко механизируется и автоматизируется.