Сварка с применением индукционных методов нагрева (ТВЧ, радиочастотная сварка)

2.1.4 Выбор оптимальных параметров сварочных устройств

Свариваемый сортамент труб ограничивается отношением D/2d. Максимальное значение D/2d определяется условием устойчивости заготовки данного диаметра при осадке с оптимальным давлением, т. е. тонкостенность свариваемой трубной заготовки зависит от свариваемого диаметра и материала заготовки. Максимальное значение толщины стенки при заданном диаметре трубы определяется допустимыми электрическими потерями в ее теле, а при очень малых соотношениях -- и возможностями процесса формовки. Сварка труб, толщина которых определяется отношением D/2d, может быть осуществлена в широком диапазоне частот тока. Поэтому решающим фактором является простота и надежность конструкции системы передачи тока, зависящей в значительной степени от пропускаемого тока. Чем выше частота и длительнее время нагрева, тем меньше ток. Снижение сварочного тока за счет увеличения времени нагрева нецелесообразно, так как при этом увеличиваются тепловые потери вследствие отвода тепла в тело свариваемой заготовки. Наиболее эффективно уменьшение тока за счет повышения частоты до 200--500 кГц. Дальнейшее повышение частоты, как правило, нежелательно, так как заметного уменьшения тока это на дает и ухудшаются показатели источников питания сварочных устройств. Поэтому с учетом выделенного льготного диапазона частот для высокочастотной сварки труб малого и среднего диаметров принята частота 440 кГц, хотя в отдельных случаях применяются частоты 70 и 10 кГц. За рубежом для сварки таких труб применяют частоты 170--500 кГц. Наименьший расход электроэнергии при индукционном подводе тока с помощью охватывающего индуктора наблюдается при сварке труб диаметром 35--45 мм. Если принять мощность, потребляемую при сварке труб диаметром 35--45 мм за единицу, то отношение этой мощности к мощности, необходимой для сварки трубы другого диаметра, даст коэффициент изменения мощности kM. Необходимо заметить, что при контактной системе подвода тока значение приведенной мощности для сварки труб диаметром 35--45 мм примерно такое же, как при индукционном подводе, и практически не меняется с изменением диаметра трубы. Поэтому при сварке труб малого диаметра следует рекомендовать только систему индукционного подвода тока. С ростом диаметра свариваемой заготовки значительно увеличивается потребляемая мощность, и при диаметре заготовки 220 мм она удваивается по сравнению с мощностью, необходимой для сварки труб диаметром 35--45 мм. Однако экономичность процесса определяется не только энергетическими показателями.

При сварке труб диаметром 159 и 168 мм потребляемые мощности при контактном способе с помощью вращающихся контактов и индукционном практически одинаковы, а по данным фирмы «Терматул», для труб диаметром 168 мм можно уменьшить эту мощность на 10--12%, если применить скользящие контакты. Лишь при сварке труб диаметром 219 мм разница в мощностях становится ощутимой. Помимо возможности иметь меньшую длину нагреваемых кромок и меньший расход мощности, система с контактным подводом тока удобна при перестройке стана, связанной с переходом с одного диаметра труб на другой. В то же время этой системе присущи следующие недостатки:

1. Необходимость симметричной передачи тока к свариваемым кромкам посредством контактов, симметрично расположенных относительно вертикальной плоскости. Периодическое смещение кромок относительно контактов приводит к снижению качества сварного соединения, особенно в непрерывных трубосварочных станах при прохождении через формовочную и сварочную машины стыка полос следующих друг за другом рулонов.

2. Возможность появления на поверхности трубы локальных оплавленных участков (поджогов), возникающих вследствие образования электрической дуги в момент нарушения контакта. Нарушение контакта происходит при прохождении стыка, дефектах формовки или свариваемой ленты.

3. Необходимость периодической остановки стана при смене контактных наконечников или проточке вращающихся электродов.

2.1.5 Сварка металлических оболочек электрических кабелей

Целесообразность применения высокочастотной сварки в производстве кабельных оболочек обусловлена следующими факторами:

1) использование в качестве основного материала для оболочек электрических кабелей алюминия и стали вместо дефицитного и дорогого свинца;

2) возможность уменьшения толщины сварной оболочки по сравнению с прессованной за счет отсутствия ощутимой разнотолщинности по диаметру (у прессованной оболочки разнотолщинность достигает 10--15%);

3) возможностью сварки практически любых металлов при неограниченных скоростях (при этом не выдвигаются специальные требования к качеству ленты и состоянию свариваемых кромок);

4) отсутствием специальной тепловой изоляции кабельного сердечника ввиду малого объема разогреваемого металла и высокой скорости охлаждения сварного шва. Основное требование к кабельным оболочкам -- герметичность. Как правило, кабельные магистрали работают в тяжелых условиях. В процессе эксплуатации подземные кабели помимо давления грунта испытывают дополнительную нагрузку от проходящего транспорта, а на мостах и в местах пересечения дорог подвергаются знакопеременным нагрузкам вследствие вибраций. При высокочастотной сварке свариваемые встык оболочки (особенно из стали) имеют тонкие стенки (до 0,3 мм), Скорость сварки периодически уменьшается в 2--3 раза по сравнению с рабочей скоростью, для свариваемых оболочек применяется стандартная лента нормальной точности. Рассмотрим вариант наложения сварной оболочки на сердечник с экраном из алюминия или меди. Этот вариант наиболее характерен для кабелей со стальной оболочкой. Как и при сварке труб малого диаметра, необходимыми условиями для реализации процесса высокочастотной сварки тонкостенных изделий являются стабильность угла схождения, постоянство толщины оплавленного слоя кромок и их устойчивость при осадке. В конструкции агрегата предусмотрены механизмы и устройства, обеспечивающие стабильность режима сварки при наличии возмущений, вносимых спецификой свариваемого изделия. К таким механизмам относится формующее устройство, в котором формуется оболочка при прохождении ленты между приводными и неприводными вращающимися валками. Криволинейные поверхности валков в сопряжении образуют калибры открытого типа с проходными сечениями, соответствующими толщине изгибаемой заготовки. Вследствие колебаний толщины ленты и погрешностей инструмента наряду с пластическим изгибом ленты могут возникнуть местные изменения ее толщины, которые, как правило, ведут к образованию гофров на кромках и, следовательно, к нарушению режима сварки. В формующем устройстве применена система слежения валков открытых калибров и за геометрическими и силовыми изменениями, происходящими в этих калибрах, благодаря чему удалось полностью устранить возможность образования гофров. процесс сварки оболочки осуществляется в сварочной машине. Машина обеспечивает получение качественного сварного соединения тонкостенных оболочек.

2.1.6 Сварка оребренных труб

В теплообменных аппаратах применяются трубы с развитой наружной поверхностью, т. е. с прямыми и спиральными ребрами. Такие трубы изготавливаются методом прессования. При этом способе низка производительность и высоки капитальные за­траты, невозможно получить трубы с тонкостенными ребрами. Приварка ребер к трубам дуговой сваркой под слоем флюса в среде углекислого газа малопроизводительна и, кроме того, зона термического влияния в теле трубы настолько велика, что создается опасность разупрочнения трубы. При высокочастотной приварке ребер к трубам обеспечивается высокая производительность, минимальная зона термического влияния, высокое качество сварного соединения при использовании различных материалов. В связи с этим в СССР и за рубежом ведутся работы по использованию высокочастотного нагрева при приварке ребер к трубам. сварка стальных тонкостенных спиральношовных труб Тонкостенные трубы, для которых D/2d > 100^-250, нужны, например, для сельского хозяйства, нефтепромыслов, промыш­ленной вентиляции и др. Обычно такие трубы изготавливались на станах спиральношовнои сварки с соединением кромок встык или внахлестку дуговой или контактной роликовой сваркой. При этом скорость сварки невелика: при дуговой сварке она не превышает 2,5 м/мин, а при контактной -- 4 м/мин. Контактной сваркой можно получать качественные трубы только из холодно­катаной травленой ленты без следов ржавчины или смазки. Та­кая подготовка ленты значительно удорожает процесс производства и препятствует широкому применению его в промышленности. Технология высокочастотной сварки спиральношовных тонкостенных труб с контактным подводом тока разработана в 1963--1965 гг. Как и при сварке спиральношовных труб большого диаметра, качество соединения зависит от геометрии свариваемых кромок на участках нагрева и осадки. При сварке спиральношовных тонкостенных труб геометрия кромок регулироваться не может, и поэтому для обеспечения оптимальных условий сварки необходимо особое внимание уделять выбору исходных параметров формовки: углу формовки и ширине ленты, используемой для изготовления труб.

2.2 Радиочастотная сварка

высокочастотная сварка электрический кабель труба

В настоящее время способ сварки труб токами высокой радиотехнической частоты (70--450 кГц) получил широкое распространение. Этим способом получают трубы диаметром от 8 до 529 мм и более с толщиной стенки 0,3--10 мм.

2.2.1 Преимущества радиочастотной сварки

Основным преимуществом радиочастотной сварки является более высокая скорость сварки, а именно до 2 м/с и более. Возможность изготовления труб из углеродистых, легированных и высоколегированных, в том числе нержавеющих сталей, цветных и редких металлов и сплавов, качественная сварка труб из горячекатаной нетравленой ленты, значительное уменьшение удельного расхода электроэнергии на 1 тонну готовых труб также является непосредственным преимуществом.

К весьма существенному плюсу этого способа следует отнести возможность использования одного и того же сварочного оборудования для сварки различных металлов, изменяя при этом лишь электрические и скоростные параметры процесса.

Радиочастотная сварка основана на использовании двух физических явлений, обусловленных характером протекания электрического тока высокой частоты -- эффекта близости и поверхностного эффекта.

Эффект близости -- это явление, при котором в поперечном сечении двух проводников плотность тока, текущего в противоположных направлениях, неравномерна -- большее значение на участках сближения проводников. При пропускании по проводнику переменного тока плотность его в периферийных участках будет тем больше, чем выше частота протекающего тока. Это явление называется электрическим поверхностным эффектом. Глубина проникновения тока в сталь зависит от частоты тока и температуры нагрева.

Подвод тока к кромкам трубной заготовки осуществляется двумя способами: контактным и индукционным. При контактном методе сварки ток проходит двумя путями: 1)от первого контакта вдоль одной кромки трубной заготовки до точки А и вдоль другой кромки до второго контакта (ток i1) от одного контакта к другому вокруг трубной заготовки (шунтирующий ток i2).

Величина тока, протекающего по кромкам трубной заготовки и по периметру заготовки, определяется соотношением индуктивных сопротивлений каждой из рассматриваемых цепей нагрузки. Индуктивное сопротивление цепи, образованной периметром трубной заготовки, значительно превышает индуктивное сопротивление цепи кромок, поэтому максимальная часть суммарного тока будет проходить непосредственно по кромкам заготовки.

Индуктивное сопротивление вокруг трубной заготовки увеличивается с ростом диаметра заготовки и при установке внутрь заготовки на участке сварки сердечника из ферромагнитного материала. Применение таких сердечников особенно эффективно при сварке труб малого диаметра.

Зазор между сердечником и внутренней поверхностью должен быть минимальным (не более 2-З мм), однако на практике, чтобы избежать пробоев, его поддерживают равным 3-5 мм.

Наличие ферритового сердечника увеличивает электрический к. п. д. и способствует большей концентрации энергии в кромках заготовки и тем самым уменьшает ширину зоны их разогрева.

Недостатками метода сварки труб токами высокой частоты с контактным способом подвода тока является наличие скользящих контактов, имеющих ограниченный срок службы, что вызывает необходимость их частой замены и увеличивает простой стана.

Значительно шире используется сварка труб токами высокой частоты с индукционным способом подвода энергии с помощью кольцевого индуктора, имеющего один или несколько витков, охватывающих трубную заготовку.
При индукционном подводе энергии ток индуктора наводит в металле электродвижущую силу; под влиянием э.д.с. в цепи нагрузки возникает электрический ток, который, проходя по периметру заготовки и встречая на своем пути открытую щель, отклоняется к точке схождения кромок, достигая максимальной концентрации за счет эффекта близости и поверхностного эффекта.

Недостаток индукционного подвода энергии состоит в том, что по периметру проходит полный сварочный ток и в связи с этим происходит повышенный расход электроэнергии. Отсюда в отличие от контактного подвода увеличение диаметра заготовки приводит к увеличению потерь энергии. Индукционный способ применяют, как правило, при производстве сварных труб диаметром до 114 мм.

Сварка труб с контактным подводом энергии требует более качественной заготовки, тщательной настройки формовочного и сварочного стана, постоянного наблюдения за состоянием контактов и частой их смены. Однако потребляемая мощность при получении труб малого диаметра и с малой толщиной стенки примерно в два раза меньше, чем при индукционном подводе энергии.

На качество сварного шва большое влияние оказывает частота тока, определяющая глубину зоны термического действия. Нагрев кромок на большую глубину приводит к потерям энергии. При частоте тока звукового диапазона 8 кГц проникновение тока в металл составляет доли миллиметра. В отечественной практике производства труб радиочастотной сваркой принята частота тока 400-450 кГц.

Выбор частоты тока определяется не только удельным расходом энергии, но и рядом технологических факторов; толщиной стенки трубы, производительностью, качеством подготовки кромок и др. Увеличение толщины стенки приводит к необходимости снижения частоты сварочного тока, уменьшения скорости и увеличения мощности сварки. На рис. 118 приведена зависимость сварочной мощности от скорости сварки при различной толщине стенки S трубной заготовки.

С увеличением скорости сварки и толщины стенки коэффициент полезного действия повышается. Кроме того, скорость сварки оказывает существенное влияние на структуру сварного шва, а следовательно, и на свойства готовой трубы.

При увеличенных скоростях сварки повышается скорость охлаждения сварного шва, что приводит к образованию закалочной структуры металла (троостит - мартенсит), что снижает пластичность шва, однако с повышением скорости сварки переходная зона - зона термического влияния резко уменьшается и измеряется десятыми долями миллиметра, а микротвердость сварного шва отличается от микротвердости основного металла на 5-10%. Такие структуры и свойства сварного соединения нельзя получить никакими другими из существующих методов сварки труб.

При нагреве кромок трубной заготовки возможны три режима сварки:

1) кромки заготовки при подходе к сварочным валкам нагреваются до температуры 1300--1400 ос, в точке схождения они дополнительно разогреваются, но не доводятся до расплавления, находясь в пластическом состоянии. Сжатием кромок при удельном давлении не менее 50 МПа происходит разрушение и удаление окисных пленок на поверхности шва;

2) кромки заготовки при подходе к точке схождения нагреваются до температуры, близкой к температуре плавления металла и в месте контакта доводятся до расплавления. Давлением сварочных валков жидкий металл с окислами выдавливается, образуя валик (грат). Удельное давление на кромки при этом режиме меньше и составляет 20--30 МПа;

3) кромки при подходе к точке схождения разогреваются до температуры плавления, а в месте контакта перегреваются. Процесс сварки происходит с выбросом расплавленного металла из зоны сварки, и образуется так называемый пилообразный грат.

Затраты энергии в каждом из трех режимов различны: минимальные в первом, несколько больше во втором и максимальные при третьем режиме сварки.

Выбор того или иного варианта зависит от свойств металла трубной заготовки, качества ее поверхности и требований, предъявляемых к внутреннему грату.

Малоуглеродистые стали хорошо свариваются и в пластическом (давлением) и расплавленном (оплавлением) состояниях. Однако при сварке в пластическом состоянии давление на кромки должно быть значительно большим, чем при сварке расплавлением. Это приводит к заметной деформации кромок и образованию ровного, но значительной величины внутреннего грата. При толщине стенки трубы 1,5-2,0 мм высота грата достигает 0,8-1,0 мм. При сварке с оплавлением в точке схождения кромок (второй режим) внутренний грат получается в виде плотного валика без неровностей и высотой не более 0,4 мм. С уменьшением сварочного давления не только уменьшается величина трата, но и увеличивается стойкость узла сварочных валков.

Третий режим сварки применяют при изготовлении труб из высоколегированных сталей и специальных сплавов.

Высота грата на наружной и внутренней поверхности трубы может регулироваться подготовкой кромок (скосы) или применением специальной калибровки формовочных валков.

Размещено на Allbest.ru