Трубное производство

 

а)                  б)

Рис.2.4. Схема подвода тока высокой частоты к кромкам трубной заготовки:  а) подвод скользящим контактом;  б) подвод  с помощью индуктора.

1 — сваренная труба;  2 — сформованная   заготовка;   3 — сварочные   валки; 4 — индуктор;   4а — скользящий  контакт;   5 — место сварки

При радиочастотной сварке труб электрический ток, проходящий по кромкам трубной заготовки, благодаря  эффекту близости и поверхностному эффекту  концентрируется непосредственному  на соединяемых поверхностях. С увеличением  частоты тока эффект близости и поверхностный эффект усиливается, вследствие чего обеспечивается максимальная концентрация тока на кромках трубной заготовки.

Сварка труб токами радио  частоты характеризуется высокой  степенью концентрации энергии при  нагреве металла. Нагрев осуществляется за десятые или даже доли секунды. Например, при сварке труб из углеродистых сталей с толщиной стенки 1,5-2,0 мм реальная скорость изготовления труб составляет 60 м/мин.

При радиочастотной сварке труб большое влияние на удельный расход энергии оказывает положение, установка и размеры ферритового сердечника, вводимого внутрь трубной заготовки, расстояние токоподводов до оси  сварочных валков, а при индукционном подводе зазор между индуктором и трубной заготовкой.

Индукторы при сварке труб применяют двух- трехвитковые и более. Причем для малых размеров   труб диаметром от 12-28 мм применяют в основном трехвитковые индукторы, а для труб диаметром выше 28 мм -  двухвитковые, так же применяют и линейные индукторы.

 Одним из основных  недостатков радиочастотной сварки является сложность регулирования ламповых генераторов, низкий кпд источника, громосткость оборудования особенно больших мощностей

Производство сварных  труб с применением токов радиотехнической частоты  практически возможно на всех применяющихся в промышленности сталей: низкоуглеродистой, низко и высоколегированных, а также из титана, алюминия и его сплавов, медноникелевых и медноцинковых сплавов, циркония и др. Однако в настоящее время освоена технология производства труб в основном только из низкоуглеродистых (10,15,20) низколегированных сталей (15ГС), а также из алюминия и латуней (Л62, Л68). Выпуск труб из других металлов и сплавов ограничен из-за трудностей,  связанных с удалением «пилообразного» внутреннего грата.

Следует отметить, что  радиочастотная сварка труб допускает применение не травленной и даже покрытой следами ржавчины ленты, и при этом качество сварного шва не ухудшается.

Сварка с применением  токов радиотехнической частоты  позволяет получать трубы, не уступающие по своим свойствам бесшовным, что подтверждается технологическими и механическими испытаниями труб. Величина раздачи сварных трубна на конус достигает в среднем 28-32% при норме на бесшовные трубы 10%, а сплющивание можно осуществить до соединения стенок трубы.

Радиочастотная сварка труб позволяет вести процесс сварки при скоростях, значительно превышающих скорости при сварке сопротивлением.

Сварные трубы могут  проходить также холодную прокатку и волочение в целях уменьшения диаметра и толщины стенки и обеспечения  требуемого качества внутренней и наружной поверхностей.

2.2.3 Индукционная сварка труб линейным индуктором

Рис.2.5 . Принципиальная  схема индукционной сварки труб линейным индуктором: 1 — сформованная   заготовка;      2 — линейный   индуктор с магнитопроводами; 3—сварочные валки

Индукционную сварку труб применяют для производства водо-газопроводных и конструкционных труб диам. от 21,5 до 219 мм (от ¹/₂ до 8"). Для нагрева кромок трубной заготовки используют прямолинейные индукторы с магнитопроводами, предназначенными для концентрации магнитного потока. Принципиальная схема индукционной сварки показана на рис. 2.5. Кромки трубной заготовки проходят в непосредственной близости к индуктору и нагреваются до сварочной температуры. Магнитный поток (на рис. 2.5 показан стрелками), создаваемый током индуктора, пересекает трубную заготовку перпендикулярно ее поверхности. Ток, индуктируемый в трубной заготовке, протекает вдоль ее кромок. Ток не проходит через стык кромок, поэтому создается возможность изготовлять индукционной сваркой трубы из горячекатаной полосы с катаными кромками без специальной обработки ее поверхности и торцов.

Продольная  сварка труб при нагреве прямолинейным  индуктором осуществляется в пластическом состоянии без доведения металла до расплавления.

Для обеспечения  качественной сварки оптимальная ширина зоны нагрева на одну кромку должна быть не более 0,5—1,0 толщины стенки. При большей ширине зоны нагрева  может потерять устойчивость кромка стенки трубы, что в свою очередь влияет на сечение трубы. Ширина индуктирующего магнитопровода должна быть на 20% больше двойной ширины зоны нагрева. Минимальная ширина индуктирующего магнитопровода 10 мм. Этим определяется и ширина зоны нагрева. Поэтому качественная сварка труб с помощью прямолинейных индукторов возможна при толщине стенки не менее 1,5 мм.

Зазор между  индуктором и нагреваемой заготовкой должен быть постоянным (обычно 1,5—2 мм). С этой целью применяют значительное натяжение между клетями (2,5—3%), исключающее провисание заготовки. Изменение зазора резко снижает полезную мощность и, как следствие, увеличивает неравномерность нагрева. Высокочастотная сварочная установка состоит из высокочастотных генераторов (машинные преобразователи частоты), конденсаторных батарей для повышения к. п. д. и индукторов. Цепи питания каждого из индукторов представляют собой самостоятельную систему. В зависимости от толщины стенки и скорости сварки могут использоваться 1; 2 и 3 индуктора.

Рис. 2.6. Принципиальная схема участка для высокочастотной сварки прямошовных труб

Принципиальная  схема участка для высокочастотной сварки (ВЧС) прямошовных труб приведена на рис. 2.6 [9]. Лента в рулонах поворотным краном подается на конвейер 1 и разматыватель 2, затем правится в валковой машине 3 и после обрезки концов с помощью ножниц 4 сваривается в непрерывную ленту на стыкосварочной машине 5. Образовавшийся при сварке грат удаляется гратоснимателем. Петлеобразователь 6 предназначен для создания запаса ленты перед формовочным станом и обеспечения непрерывного процесса производства труб во время обрезки и сварки концов ленты и снятия грата. Приводными тянущими роликами лента подается к формовочному стану 7. В некоторых случаях перед формовкой кромки ленты обрезаются на дисковых ножницах.

Формовочный стан состоит из горизонтальных и  вертикальных клетей, обеспечивающих постепенное формирование трубной заготовки из плоской ленты. Сформованная трубная заготовка поступает в сварочную машину 8, где производится нагрев ее кромок и формирование сварного соединения. Наружный грат снимается резцовым гратоснимателем. Сваренные трубы охлаждаются до температуры 50...60 °С в холодильнике 9 водовоздушной смесью, которая подается на поверхность труб через систему сопел. Окончательная калибровка трубы по размеру осуществляется на стане 10, каждая клеть которого состоит из пары горизонтальных и пары вертикальных валков: горизонтальные приводные, вертикальные - неприводные.

Продольная  кривизна труб устраняется в правильной клети, имеющей две последовательно расположенные четырехвалковые обоймы. В дальнейшем труба поступает или в редукционный стан 12 пройдя нагрев в индукционной печи 11 и резку на летучей пиле 13, или на трубообрезной станок, а затем на участок установки труб 14 или дальнейшей отделки 15. При локальной нормализации шва 
индукционный нагреватель размещается непосредственно после гра- 
тоснимателя.

В зависимости от формы  валков клетей на станах ВЧС могут производиться трубы с круглой, овальной или прямоугольной формой поперечного сечения [8].

 

3.0 ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ  СВАРНОГО ШВА 

При использовании ТВЧ  и процессов осадки формируется  шов с образованием наружного  и внутреннего грата, расположенного вдоль ось шва. Как правило  наружный град удаляют механическим путем.   

Известны три основных варианта процесса сварки токами высокой  частоты металлов [9]:

а) сварка давлением с  оплавлением, которая осуществляется при предварительном подогреве  и последующем контактном оплавлении свариваемых поверхностей протекающим  через зону соединения электрическим  током. Расплавленный металл с включениями  оксидов удаляется из зоны соединения при встречном деформирование (осадке) свариваемых кромок заготовки до образования сварного соединения между поверхностями, находящими в твердом состоянии. Этот процесс аналогичен стыковой контактной сварке оплавлением;

б) сварка давлением без оплавления, которая может осуществлять по двум вариантам: при наличии тока, протекающего через зону соединения свариваемых кромок заготовки (аналогично контактной сварке сопротивлением); при отсутствии тока, протекающего через зону сварки (аналогично прессовой сварке). Оба варианта сварки выполняются с предварительным подогревом свариваемых поверхностей до температуры ниже точки плавления свариваемого металла;

в) сварка плавлением выполняется  при нагреве свариваемых кромок заготовки до температуры плавления, образуя ванну расплавленного металла между соединениями без приложения давления кромками, которая по мере кристаллизации при охлаждении формирует литой сварной шов. Применяется в основном для сварки изделий по отбортованным кромкам.

Способы реализации этих трех вариантов сварки существенно различаются по таким параметрам, как скорость нагрева, осадка в диапазоне толщин кромок, скорость осадки, необходимы для качественных сварных соединений.

На практике наибольшее распространение получил первый вариант сварки токами высокой частоты, обеспечивающий высокое качество швов при производстве сварных труб из черных и цветных металлов.

При сварке токами высокой  частоты кромки свариваемой заготовки  к моменту оплавления прогреваются до температуры, близкой к температуре плавления металла, на определенную глубину за счет тока, протекающего в кромках на участке предварительного подогрева. Большое значение для получения качественных швов при рассматриваемых вариантах сварки, имеет полнота удаления со свариваемых поверхностей оксидов, образовавшихся за время, предшествующее сварки (при хранении, транспортировке), и появившихся в ходе нагрева. При выявлении возможности разрушения оксидных пленок  необходимо учитывать при протекании процесса сварки проявления их теплофизических и механических свойств.

При сварке стальных изделий, когда контактное оплавление кромок происходит только в месте их схождения, а кромки до места схождения нагреваются до температуры, близкой к T₁, невозможно полное расплавление оксидов на поверхности кромок, за исключением FeO и Fe₂O₃. Более высокотемпературные тонкие пленки оксидов при этом нагреваются за счет теплопроводности от металла кромок, их электрическое сопротивление снижается, и они могут нагреваться вследствие прямого протекания в них тока. В этом случае можно ожидать расплавления пленок оксидов, например Fe₂O₄, имеющих большую температуру плавления, чем основной металл. Оксиды с еще более высокой температурой плавления лишь подогреваются, но не расплавляются. Удаление таких высокотемпературных оксидных пленок возможно только при процессах контактного оплавления кромок и их вытеснения в процессе осадки в грат.

При варианте сварки, когда плавление свариваемых  кромок происходит до места их схождения и расплавленный металл удаляется со свариваемых поверхностей электродинамическими силами, разрушение оксидных пленок происходит при выбросе расплавленного металла на боковые поверхности кромок. Далее возможны два пути протекания процесса сварки. При первом варианте кромки сразу подвергаются контактному оплавлению и последующей осадке. В этом случае велика вероятность получения качественного сварного шва. При втором - в результате возможного продолжения нагрева участков свариваемых кромок до места схождения они могут вновь окислиться, но из-за непродолжительного (не более 0,01 с) нагрева толщина образовавшейся оксидной пленки мала, последняя может легко разрушаться и удаляться вместе с жидким металлом в процессе осадки.

Из сказанного выше следует, что предпочтительнее является второй вариант сварки, поскольку при нем обеспечивается лучшее освобождение свариваемых поверхностей от оксидов, в том числе тугоплавких. Первый вариант процесса сварки целесообразно применять при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей, имеющих оксидные пленки состава FeO- Fe₂O₃- Fe₃O₄.

Ввиду особенностей способов нагрева и формирования соединения свариваемых кромок изделия и вытекающих из этого распределения тепловых полей и полей деформации при ВЧС имеют место также особенности протекания процессов осадки и формирования сварного шва.

Для получения качественного  сварного соединения необходимо, чтобы расплавленный металл, образующийся в месте схождения свариваемых кромок, был удален при осадке. Этого можно добиться при условии, что скорость осадки V_s будет достаточной и расплавленный металл не потеряет свойства жидкотекучести.