Анализ современных методов получения сварных труб

     Для нагрева кромок трубной заготовки  скорость выделения тепловой энергии  в объеме нагреваемого металла должна обеспечить нагрев до сварочной температуры  по выходе их из зоны действия индуктора.

     Смещение  кромок трубной заготовки относительно индукторов приводит к ухудшению качества шва. Смещение происходит в основном из-за большого расстояния между последней формовочной клетью с разрезной шайбой и шовсжимающими валками. Особенно велико это расстояние при использовании двухиндукторной схемы нагрева. Поэтому для повышения устойчивости трубной заготовки необходимо сократить расстояние между последней клетью формовочного стана и шовсжимающими валками сварочного узла, что возможно при применении сварки с одним индуктором увеличенной длины. 
 

     Производство  труб аргонно-дуговой  сваркой 

     Дуговая сварка с защитой  дуги инертным газом 

     Дуговую сварку с защитой дуги инертным газом (гелием или аргоном) применяют для  получения труб диаметром 6-426 с толщиной стенки 0,2-5,0 мм из высоколегированных сталей (коррозионно-стойких и жаропрочных), а также из ряда цветных металлов (алюминия, магния и т.д.) и их сплавов. Скорость сварки труб в зависимости от материала, размера свариваемых труб и применяемой  защитной атмосферы составляет 0,5-8 м/мин.

     При дуговой сварке в среде инертных газов электрическая дуга горит  между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемой трубой. Для подвода  тока и подачи инертного газа применяют  специальную горелку. Сварку производят постоянным током прямой или обратной полярности в зависимости от металла штрипса, а также переменным током. Трубы из коррозионно-стойких и хроможелезоникелевых сталей сваривают на постоянном токе прямой полярности ( к электродам подключают отрицательный полюс), а трубы из алюминия, магния и их сплавов – на токе обратной полярности. В качестве источника питания применяют обычные сварочные генераторы.

     Высокая теплопроводность и теплоемкость гелия  способствует созданию в зоне нагрева  металла условий, при которых значительно повышаются механические свойства сваренной трубы и улучшаются условия работы вольфрамового электрода. К недостаткам применения гелия относят его высокий расход вследствие низкой плотности.

     Теплопроводность  и теплоемкость аргона значительно ниже, чем у гелия, а плотность выше. Теплопроводность аргона почти равна теплопроводности воздуха, а теплоемкость почти вдвое меньше, чем у воздуха. Поэтому при использовании аргона зона термического влияния намного больше, чем в случае применения гелия.

     Для неплавящихся электродов применяют  вольфрам марки ВТ-15, содержащий 1,5-2% оксида тория. Диаметр электродов из торированного вольфрама 1-7,5 мм.

     Сварочная горелка стана для дуговой  сварки труб

     На  рисунке показан один из основных узлов стана – сварочная горелка. Вольфрамовый электрод 1 зажимается в электродержателе 2, к которому подведен ток. Через керамическое сопло 3 корпуса горелки 4 подается защитный газ; корпус горелки и электрододержатель охлаждаются водой. Инертный газ по трубе 5 поступает в камеру 6 над электрододержателем и из нее через отверстие 7 попадает в керамическое сопло 3. Охлаждающая вода по трубке 8 подается непосредственно к электрододержателю и затем выходит из горелки по трубке 9, охлаждая при этом расположенный в ней силовой кабель. Расход воды составляет примерно 0,5 л/мин. При сварке кромок заготовки 10 сжимаются валками 11. Специальный подающий механизм регулирует установку горелки с электродом относительно свариваемых кромок. 

     Аргонно-дуговая  сварка дугой непрерывного действия (S<0,6 мм) 

     Дуговая сварка в среде защитных газов  материалов толщиной <0,6 мм имеет ряд  особенностей. Высокие требования предъявляются  к точности сборки кромок перед сваркой. В соответствии с действующими производственными отраслевыми инструкциями допустимые зазоры в соединении и величины смещения кромок не должны превышать 10-20 % толщины основного материала. Для материалов толщиной <0,6 мм допустимые зазоры и смещения кромок составляют сотые доли миллиметра. Обеспечение такой точности — сложная техническая задача.

     Процесс сварки отличается высокой чувствительностью  к колебаниям теплового режима из-за небольшого теплосодержания сварочной ванны. Изменения тепловой мощности дуги, условий теплоотвода от места сварки нарушают термическое равновесие в сварочной ванне и приводят к изменению размеров шва, а в ряде случаев к прожогам или к непроварам. Потому для получения качественных швов при сварке тонкостенных труб необходимо обеспечить стабильность горения дуги, постоянство параметре режима и условий теплоотвода. Отсюда высокие требования к характеристикам источника питания, конструкции оборудования и оснастки.

     Для выполнения указанных условий необходимо автоматическое регулирование параметров режима, применение источников питания с крутопадающими внешними характеристиками, активирование вольфрамового электрода и обеспечение плотного прилегания свариваемых кромок. При сварке тонколистового материала ванна находится в состоянии динамического равновесия под действием сил поверхностного натяжения, массы жидкого металла и давления дуги. При этом формирование шва в основном обусловливается поверхностным натяжением. При увеличении зазоров поверхностное натяжение может способствовать нарушению формирования шва и несплавлению кромок.

     Регулировать  эффективность воздействия поверхностного натяжения металла на формирование шва позволяют следующие способы: увеличение объема сварочной ванны в результате отбортовки полосы или введения присадочного металла, импульсивное расплавление металла и др. При сварке тонкостенных труб возникают остаточные деформации элементов свариваемой полосы. Деформации кромок при сварке материалов толщиной 0,6 мм не только ухудшают формирование и качество шва, но и в большинстве случаев служат причиной прожогов. Например, могут возникнуть сварные швы с «провисанием», что снижает работоспособность соединений при знакопеременных нагрузках. Поэтому необходимо принимать меры по предотвращению короблений и потери устойчивости кромок в процессе сварки.

     Широкое распространение во многих отраслях промышленности при изготовлении тонколистовых  конструкций тонкостенных и особотонкостенных  труб получила аргонно-дуговая сварка дугой непрерывного и импульсного действия. 

     Аргонно-дуговая  сварка тонколистовых материалов импульсной дугой 

     Создание импульсного или пульсирующего источника в значительной степени способствовало решению проблемы сварки тонколистовых материалов. При сварке импульсной дугой плавление металла осуществляется дугой, горящей периодически, в сочетании с «дежурной» дугой. Сплошной шов получается в результате расплавления отдельных точек с заданным перекрытие предыдущей точки.

     Температурная деформация кромок при импульсной сварке на 30-40% меньше, чем при сварке дугой  постоянного действия. Повышается надежность получения сплошных швов без прожогов. Импульсное введение полосы обеспечивает получение сварочной ванны, по форме близкой к кругу, вследствие чего силы поверхностного натяжения достигают максимального значения. При этом уменьшается провисание швов и улучшатются аэродинамические свойства сварных соединений. По сравнению с дугой непрерывного действия импульсная дуга обладает более широким диапазоном регулирования теплового воздействия источника теплоты на металл. Регулируя ток, скорость сварки, длительность импульса и паузы, можно в широких пределах изменять размеры шва. Например, с увеличением силы тока или длительности импульса при постоянной скорости сварки и длительности паузы глубина проплавления, ширина шва и величина перекрытия точек увеличиваются. Размеры шва в большей степени зависят от силы тока, чем от длительности импульса. С увеличением длины дуги глубина проплавления шва уменьшается, так как при этом снижается удельная тепловая энергия, вводимая в изделие. Поэтому при сварке импульсной дугой швов большой протяженности необходимо обеспечивать стабилизацию длины дуги. 

     Плазменная  сварка 

     Плазма  представляет собой высокоионизированный газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц (объемные плотности зарядов которых практически одинаковы - условие квазинейтральности). Свободно движущиеся электроны могут передавать электрический ток, поэтому плазму можно назвать токопроводящим газом. Резкой границы между плазмой и газом нет. Плазма подчиняется тем же законам, что и газ, но имеет и свои особенности: например, взаимодействие с магнитным полем, движение частиц можно направлять по определенному руслу.

     Температура плазмы измеряется миллионами градусов. Существует еще так называемая холодная плазма с температурой в десятки тысяч градусов. Такую плазму можно получить ионизацией газа. Существует несколько способов ионизации: теплом, излучением, электрическим разрядом. Для искусственного получения плазмы наиболее приемлем способ ионизации электрическим разрядом. 

     Сварка  труб сжатой дугой (S₀=0,2-0,6 мм) 

     В последнее время при производстве сварных труб используют сжатую дуговую плазму. Сжатая дуговая плазма - источник теплоты, характеризующийся большой сосредоточенностью и высокой температурой нагрева. Дуговая плазма создается в плазмотроне при пропускании нейтрального газа через столб электрической дуги, заключенной в канале. Канал сопла и поток газа охлаждают наружные слои дугового столба, в результате этого в зоне дугового разряда происходит ионизация газа и, как следствие, сжатие дугового столба. Последнее вызывает повышение температуры и увеличение скорости струи. Максимальная температура наблюдается на оси столба.

     При сжатии дуги ограничивается свободное  перемещение активного пятна  по поверхности изделия. Вследствие этого тепловой поток становится высоко концентрированным и строго направленным. С помощью изменения диаметра канала сопла и расхода плазмообразующего газа можно в широких пределах регулировать тепловое воздействие дуги на металл.

     Возможности плазменной сварки расширились в результате разработки процесса сварки тонколистовых материалов закрытой сжатой дугой. Схема процесса представлена на рис. 7. Дуга и сварочная ванна закрыты от окружающего воздуха фильерой, которая выполняет функцию микрокамеры. Плазмотрон опирается соплом 4 на микрокамеру. Трубная заготовка перемешается относительно плазмотрона со скоростью сварки. Дуга и ванночка расплавленного металла, ограниченные микрокамерой, защищены потоком инертного газа, выходящим из сопла под избыточным давлением. Высокая эффективность защиты достигается при расходах инертного газа на наружную сторону шва, значительно меньших, чем при сварке свободной дугой. Например, при сварке труб из стали 12Х18Н10Т толщиной 0,25-0,35 мм расход аргона составляет 0,15—0,2 л/мин.

     Рис. 7.Схема процесса сварки сжатой дугой:

     1 – фильера; 2 – указатель; 3 – электрод; 4 – сопло; 5 – сварной шов.

     Микроплазменная сварка 

     Схема микроплазменной сварки представлена на рис. 8. Сварка осуществляется дугой  прямого действия, горящей между вольфрамовым электродом и изделием. В начальный момент с помощью осциллятора производится зажигание дежурной дуги между электродом 1 и металлическим соплом 2, в которое подается плазмообразующий газ. Основная дуга 4 зажигается при помощи дежурной дуги между электродом и изделием 5. Защитный газ подается к месту сварки через зазор между соплом 2 и керамическим соплом 3. Устойчивое и стабильное горение микроплазмы на малых токах ( А) обеспечивается высокой степенью сжатия столба дуги каналом сопла малого диаметра (<1 мм).

     Рис. 8.Схема процесса микроплазменной  сварки 

     В качестве плазмообразующего газа используют аргон, а в качестве защитного  – аргон, гелий, азот, смесь аргона с водородом, аргона с гелием, аргона с азотом, азота с водородом (в зависимости от свариваемого шва).

     Микроплазменная сварка имеет более широкие технологические  возможности, чем сварка сжатой дугой. Сила сварочного тока оказывает более интенсивное действие на размеры шва, чем диаметр канала сопла и расход плазмообразующего газа. С уменьшением диаметра канала сопла ширина шва по сравнению с глубиной проплавления изменяется незначительно. Повышение расхода плазмообразующего газа от 0,1 до 0,3 л/мин при диаметре канала сопла 1 мм и силе тока 6 А способствует интенсивному увеличению глубины проплавления при незначительном изменении ширины шва. При дальнейшем увеличении расхода плазмообразующего газа глубина проплавления уменьшается.

     Повышение содержания водорода в смеси защитного  газа до 10% при ее постоянном расходе также приводит к увеличению глубины проплавления при практически неизменной ширине шва. Таким образом, изменяя параметры режима микроплазменной сварки, можно в широких пределах регулировать степень воздействия дуги на свариваемый металл. 

     Электронно-лучевая сварка 

     Электронно-лучевую  сварку применяют обычно для соединения деталей из химически активных, тугоплавких  и других металлов, ее можно также  использовать и для сварки труб. Благодаря высокой концентрации энергии, электронный луч позволяет  получать узкое и глубокое проплавление при незначительной зоне термического влияния.