скрыть подразделы

Главная страница » Сварка прямошовных труб малого и среднего диаметров


Сварка прямошовных труб малого и среднего диаметров

Высокочастотная сварка давлением с предварительным нагревом и местным расплавлением свариваемых поверхностей нашла наибольшее применение в производстве прямошовных труб малого и среднего диаметров. В 1975 г. методом высокочастотной сварки в СССР ежедневно изготовлялось более 3 млн. м сварных труб из углеродистых и нержавеющих сталей, сплавов алюминия, меди и титана диаметром от 10 до 530 мм с толщиной стенки от 5 до 10 мм.

Рисунок 1 - Схема агрегата для производства прямошовных труб

Изготовление труб на трубоэлектросварочном агрегате

Принципиальная схема агрегата для высокочастотной сварки прямошовных труб приведена на рис. 1. Лента в рулонах поворотным краном подается на конвейер 1 и разматыватель 2, затем правится в валково машине 3 и после обрезки концов с помощью ножниц 4 сваривается в непрерывную ленту на стыкосварочной машине 5

Оразовавшийся 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. Сформованная трубная заготовка поступает в сварочную машину 8, где производится нагрев кромок и формирование сварного соединения. Наружный грат снимается гратоснимателем резцового типа. 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 диаметру 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 трубоотрезной станок, а затем на участок отделки 14, 15. При локальной нормализации шва индукционный нагреватель размещается непосредственно после гратоснимателя.

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 (табл. 28). Максимальное значение толщины стенки при заданном диаметре трубы определяется допустимыми электрическими потерями в ее теле, а при очень малых соотношениях — и возможностями процесса формовки.

Как было показано в гл. I, сварка труб, толщина которых определяется отношением D/2d (табл. 1), 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 (рис. 2).

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 не дает и ухудшаются показатели источников питания сварочных устройств. Поэтому с учетом выделенного в СССР 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.

Таблица 1 - Предельные значения отношения D/2d для труб диаметром от 10 до 530 мм

Наружный
диаметр
трубы, мм

(D/2d) max для труб

(D/2d) min для труб

из малоуглеродистой стали

из аустеиитной стали

из меди, л ату и и

из алюминиевых сплавов

из стали

из алюминиевых и медных сплавов

10—20

80

70

60

50

8

10

20 — 28

100

80

70

60

8

10

28—32

100

80

70

60

10

12

38—42

100

80

75

60

12

14

48—70

100

80

75

60

12,5

15

76—96

90

75

70

50

15

15

102—152

90

75

50

17,5

16

152—220

90

60

18

220- 355

90

355 — 530

100

Зависимость сварочного тока от частоты и времени нагрева: 1-0.1c, 2-0.2c, 3-0.4c, 4-1c

Рисунок 2 - Зависимость сварочного тока от частоты и времени нагрева: 1-0.1c, 2-0.2c, 3-0.4c, 4-1c

Зависимость поправочного коэффициента k<sub>М</sub>  от диаметра свариваемых труб D

Рисунок 3 - Зависимость поправочного коэффициента kМ от диаметра свариваемых труб D

Выбор способа подвода тока к свариваемым кромкам также имеет важное значение. Обратимся к графику зависимости коэффициента изменения мощности kM (или приведенной мошности) от диаметра свариваемой трубной заготовки D(рис.3)

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 kМ. 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. В табл. 29 приведены значения скорости, приведенной мощности и частоты тока при различных способах подвода тока для высокочастотной сварки труб диаметром 159— 220 мм. Из таблицы видно, что 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.

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.

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.

Необходимость периодической остановки стана при смене контактных наконечников или проточке вращающихся электродов. По данным Северского трубного завода, среднее время работы вращающихся контактов без проточки — одна рабочая смена, а время проточки электродов — 15—20 мин. При применении контактных систем со скользящими контактами в зависимости от величины передаваемой мощности, качества поверхности трубной заготовки, ее материала стойкость контактных наконечников такова, что можно сварить от 1,5 до 30 тыс. м труб, используя пару наконечников. Время, необходимое для смены пары контактодержателей, — 20 мин. По данным фирмы «Терматул», при использовании сварочного устройства мощностью 280 кВт средняя стойкость контактных наконечников 3000 м, а время, необходимое для их замены, — 10 мин.

Таблица 2. Значения скорости, приведенной мощности и частоты при высокочастотной сварке труб диаметром 159—220 мм

Размер трубы, мм

Длина нагреваемых кромок, мм

Скорость сварки, м/мин

Приведенная мощность кВт/(мм. м/мин)

Частота тока источника питания, кГц

Способ подвода тока

Завод, фирма

Диаметр

Толщина стенки

159

5,0

160

45

1,50

440

Контактный с вращающимися контактами

Северский трубный завод

6,0

40

1,55

168

6,0

170

40

1,50

7,0

35

1,60

219

6,0

180

40

1,70

7,0

30

1,80

159

5,0

200

45

1,50

440

Индукционный с охватывающим индуктором

6,0

40

1,60

168

6,4

220

40

1,60

7,1

35

1,70

219

6,0

240

35

2,20

7,0

30

2,30

168

6,4

120

34

1,30

400-500

Контактный со скользящими контактами

«Терматул»
(США)

7,1

30

1,35

219

6,4

120

34

1,30

7,1

30

1,35

168

6,0

150

40

1,70

300

Индукционный с охватывающим индуктором

«Ельфиак»
(Бельгия)

7,0

35

1,75

219

6,0

180

35

2,30

7,0

30

2,30

Необходимость квалифицированного обслуживания и непрерывного наблюдения, за работой системы.

Исходя из изложенного, следует рекомендовать для сварки труб диаметром до 219 мм применение индукционной системы подвода тока охватывающим индуктором.

Более сложен выбор способа подвода тока при сварке труб диаметром до 530 мм. Для сварки таких труб применяется индукционный способ подвода тока охватывающим индуктором на частоте 440 кГц и внутренним индуктором на частоте 8 и 10 кГц (табл. 3). Значения приведенной мощности для труб диаметром 430—530 мм близки при подводе как охватывающим, так и внутренним индуктором, а для труб диаметром 273—326 мм — при индукционном подводе охватывающим индуктором на частоте 440 кГц на 30—40 % меньше, чем при подводе внутренним индуктором. В будущем можно ожидать некоторого (на 10—15%) сокращения расхода электроэнергии за счет совершенствования мощных генераторных триодов в случае применения сварочных устройств с ламповыми генераторами и использовании тиристорных преобразователей частоты для сварочных устройств на частоте 8—10 кГц. Системы индукционного подвода тока на обеих частотах хорошо отработаны и нельзя ожидать заметного повышения их к. п. д.

Применение в современных мощных высокочастотных сварочных устройствах с ламповыми генераторами схем и конструкций тиристорных выпрямителей и электронной аппаратуры высокой надежности и долговечности свело на нет разницу в издержках при эксплуатации установок с машинными преобразователями и ламповыми генераторами. Но эксплуатационные издержки при изготовлении, ремонте и смене индукторов и ферритовых сердечников в устройствах с ламповыми генераторами ниже, чем внутренних индукторов на частотах 8—10 кГц. Капитальные затраты также несколько выше при индукционном подводе тока внутренним индуктором главным образом за счет высокой стоимости преобразовательной подстанции.

Одним из основных показателей рентабельности является производительность процесса. В табл. 4 приведена производительность при сварке труб диаметром 219—530 мм. Из данных таблицы видно, что применение сварочного устройства, работающего на частотах 8—10 кГц, для производства труб с толщиной стенки 4—6 мм не оправдано. Преимущества такой системы ощутимы лишь при производстве труб с толщиной стенки 8—10 мм.

Наконец, важным моментом в выборе оптимального сварочного устройства является качество сварного соединения. На рис. 84 приведены микроструктуры сварных швов труб диаметром 168 мм и толщиной стенки 6 мм, полученных при использовании различных сварочных устройств на частотах 8 и 440 кГц. Сварка труб производилась со скоростью 30 м/мин из полосы стали одной марки (из одного рулона) при одинаковом давлении осадки. Сварное соединение, выполненное с использованием сварочного устройства частотой 8 кГц, отличается лишь более широкой и размытой зоной термического влияния и несколько меньшим количеством включений троостита. После нормализации шва при температуре 850° С и выдержке 2 с микроструктуры сварных соединений совершенно идентичны (рис. 85). Следовательно, подтверждается высказанное ранее (см. гл. I) соображение об относительно слабой зависимости основных параметров процесса высокочастотной сварки с оплавлением от частоты тока источника питания.

Таблица 3. Сравнительные данные по высокочастотной сварке труб диаметром 273— 530 мм при частоте тока Ь—500 кГц

Размер

Длина нагреваемых кромок, мм

Скорость сварки, м/мин

Приведенная мощность кВт/(мм. м/мин)

Частота тока источника питания, кГц

Индукционный подвод тока

Завод, фирма

Диаметр

Толщина стенки

273

6,0

215

40

2,4

400-500

Охватывающим индуктором

Ельфиак (Бельгия), Валурек (Франция)

8,0

30

2,5

326

6,0

240

40

2,6

8,0

30

2,8

430

8,0

275

30

3,2

10,0

25

3,3

530

8,0

315

30

3,6

10,0

25

3,8

273

6,0

200

40

3,4

8-10

Внутренним индуктором

Новомосковский трубный завод

8,0

30

3,5

326

6,0

250

40

3,6

8,0

30

3,8

430

8,0

280

30

3,8

10,0

25

4,0

530

8,0

300

30

4,0

10,0

25

4,2

Примечание. Данные приведены для труб диаметром 530 мм (см. нижнюю строку), является ориентировочными.

Таблица 4. Производительность сварочных устройств

Наружный диаметр трубы, мм

Толщина

стеикн,

мм

Показатели производительности сварочных устройств

Мощностью 1000 кВт, частотой 440 кГц

мощностью 1500 кВт, частотой 8—10 кГц

Скорость

сварки.

м/мин

Производи

тельность,

т/ч

Скорость

сварки,

м/мин

Производи

тельность,

т/ч

4

110

140

115

145

219

6

75

150

85

170

8

55

135

60

145

4

100

160

105

165

273

6

70

170

75

185

8

50

155

55

170

4

95

180

100

190

326

6

65

190

70

200

8

45

170

50

185

4

80

200

95

240

430

6

50

190

65

250

10

30

185

40

240

5

55

210

75

280

530

8

35

210

45

270

10

25

190

35

260

Рисунок 4 - Микроструктуры сварных соединений из стали 10, полученных на частотах тока: а — 440 кГц; 6 — 8 кГц (X 300)

Таким образом, при высокочастотной сварке прямошовных труб малых и средних диаметров целесообразно применение только индукционной системы передачи тока. Применение контактных систем со скользящими или вращающимися контактами технически и экономически не оправдано.

Для тонкостенных труб (диаметр 219—530 мм) следует рекомендовать применение индукционной системы подвода охватывающим индуктором на частоте 440 кГц. При производстве толстостенных стальных труб целесообразно применять систему индукционного подвода тока индуктором, размещаемым внутри свариваемой заготовки, с питанием от преобразователей частотой 8—10 кГц, так как высокочастотные сварочные устройства, работающие на частоте 440 кГц, не отвечают современному уровню производительности.

Эти рекомендации можно использовать и при производстве прямошовных труб из цветных металлов и сплавов, так как максимальный диаметр свариваемой заготовки не превышает 200—300 мм, толщина стенки — 5—6 мм, а величина приведенной мощности ниже, чем при сварке труб из стали. При сварке труб из цветных металлов применение системы с индукционным подводом тока на частоте 440 кГц является единственно разумным.

Сварочная машина. Сварка трубной заготовки производится в сварочной машине стана, схема которой представлена на рис. 86. В ней осуществляется нагрев и формирование сварного соединения. Ток к свариваемым кромкам передается с помощью индуктора.

Рисунок 5 - Микроструктура сварного соединения из стали 10 после нормализации (X 100)

Конструкция кольцевого одновиткового индуктора для сварки труб малых и средних диаметров при частотах радиодиапазона является оптимальной. Однако при сварке труб диаметром до 40—50 мм технологически проще применять многовитковый индуктор. Поэтому чаще при сварке труб малых диаметров применяются многовитковые цилиндрические индукторы, при сварке труб средних диаметров — одновитковые. Многовитковые индукторы изготавливаются из медной трубки. Витки индуктора электрически изолированы с помощью стеклоленты, пропитанной кремний- органическим лаком. Электрическая изоляция также предохраняет индуктор от межвитковых пробоев при попадании на витки мелких частиц металла, вносимых с формуемой заготовкой, и закристаллизовавшихся выплесков из зоны сварки. У одновиткового индуктора такой пробой возможен только между токоподводящими шинами, соединяющими клеммные колодки с активной частью индуктора. Шины изолируются посредством изоляционной прокладки, а активная часть индуктора не изолируется.

Рисунок 6 - Схема сварочной машины стана: 1 — шо во обжи мной валок диаметром DB; 2 — индуктор с внутренним диаметром DИ и высотой h, расположенный на расстоянии b от оси шовообжимных валков; 3 — ферритовый сердечник диаметром DM, длиной tс, размещенный на расстоянии с от оси валков; 4 — валок шовонаправляющей клети, центр которого расположен на расстоянии а от оси шовообжимных валков

Одновитковый индуктор может изготавливаться из медной шины с напаянной медной трубкой, по которой пропускается охлаждающая жидкость (вода, в редких случаях эмульсия). Имеются конструкции, в которых индуктор охлаждается поливом снаружи. Конструкции одновитковых индукторов для сварки труб среднего диаметра, как правило, разъемные. Типовые конструкции индукторов, наиболее часто применяемых при производстве сварных труб, показаны на рис. 7. Размеры индукторов, рекомендуемые при сварке труб диаметром 10—530 мм, приведены в табл. 32.

Для сварки труб среднего диаметра при частотах 8—10 кГц могут применяться многовитковые охватывающие индукторы (см. рис. 78, а) или, лучше, внутренние индукторы (см. рис. 79). (Конструкция внутренних индукторов описана в гл. III).

Магнитопровод (ферритовый сердечник) вводится во внутреннюю полость свариваемой заготовки для увеличения шунтирую- щей индуктивности, Следовательно, применение его обязательно

Таблица 32. Основные параметры сварочных машин для производства прямошовных труб диаметром 10—530 мм

Наружный диаметр трубы, мм

Сварочная машина

Индуктор

Ферритный сердечник

DB,мм

a,мм

Конструкция

Размеры, мм

Конструкция

Размеры, мм

b

h

с

10

80-85

350

Многовитковый с изоляцией

15-16

15-16

30

Без предохранительного кожуха с наружным охлаждением

6

140

4

12

85-90

350

18-20

16-18

35

8

140

4

16

120

500

25

25-28

40

10

240

5

20

120

500

40

40

50

12

240

5

25

150

550

40

40

55

15

240

8

28

150

550

40

40

60

15

240

8

32

170

600

50

40

65

20

300

8

38

170

600

50

40

65

24

300

10

42

170

600

65

60

70

24

300

10

48

200

650

65

60

75

С предохранительным кожухом цилиндрического сечения

35

300

10

53

200

650

65

60

80

40

300

10

57

220

700

Одновитковый неразъемный

80

60

90

40

300

12

63

220

700

80

60

100

40

300

12

70

230

750

90

80

100

55

350

15

76

230

750

105

100

110

60

350

15

102

320

900

Одновитковый разъемный

125

120

125

80

500

20

114

320

900

135

120

130

80

500

20

127

350

1200

150

120

140

80

500

20

152

420

1300

190

150

170

Сегментиого сечения

115

750

25

159

420

1300

190

150

170

115

750

25

168

460

1300

200

150

190

115

750

25

203

500

1500

230

150

220

150

750

30

220

500

1600

250

150

220

150

750

30

245

550

1600

280

200

240

150

750

30

273

550

2000

310

200

250

150

750

40

326

650

1300

370

250

280

180

850

40

377

700

1500

420

250

300

180

850

40

426

750

1800

510

300

320

180

850

40

530

850

3500

580

350

350

180

850

40

Рис. 87. Конструкции индукторов для сварки прямошовных труб: а — многовитковый неразъемный; б—одновитковый неразъемный; в — одновитковый разъемный при сварке толстостенных труб. При сварке тонкостенных труб (D/2d > 80), особенно из алюминиевых сплавов, можно вести процесс без сердечника. Ферритовые сердечники (рис. 88) по конструктивному исполнению делят на три вида,

1. При сварке труб диаметром 40—130 мм сердечник набирается из стандартных стержней диаметром 8—10 мм и помещается в стеклотекстолитовый цилиндр, который является одновременно несущим конструктивным элементом и предохранительным кожухом. Тыльная сторона цилиндра заканчивается резьбовым штуцером, с помощью которого сердечник крепится к регулируемому кронштейну или штанге сварочной машины; в сердечник вводится охлаждающая жидкость (вода или эмульсия). При такой конструкции ферритовый сердечник часто разрушается от дефектов формуемой заготовки. Поэтому цилиндр, в котором помещаются ферритовые стержни, рекомендуется изготавливать из немагнитного материала (сталь аустенитного класса, алюминиевые сплавы, медь). Вдоль оси по стороне цилиндра, обращенной к V-образной щели, делается прорезь шириной в 2—2,5 раза больше зазора между свариваемыми кромками. Прорезь перекрывается изоляционным теплостойким материалом. В остальном эта конструкция не отличается от конструкции сердечника с цилиндром из стеклотекстолита.

Рис. 88. Ферритовые сердечники: а — цилиндрического сечения; б — сегментного сечения; t — ферритовые стержни; 2 — защитный кожух; 3 — плиты крепления

2. При сварке труб диаметром более 130 мм достаточно, чтобы минимальная площадь поперечного сечения сердечника была порядка 25—30% от площади поперечного сечения внутренней полости трубы. Сердечник располагается коаксиально оси трубы. Тогда конструкция сердечника приобретает вид шарового сегмента, сферический элемент которого изготавливаете^ из стекло* текстолита, а остальная несущая конструкция — из алюминиевого сплава.

3. При сварке толстостенных труб малого диаметра (D < 40 мм, DI2d = 8-ь 10) ферритовый сердечник целесообразно изготавливать с максимально возможной площадью поперечного сечения и интенсивным водяным охлаждением, так как сердечник работает при магнитых индукциях, близких к насыщению. Сердечник набирается из толстостенных ферритовых колец на трубке из немагнитного материала. Охлаждение осуществляется водой, подаваемой через трубку. При сварке тонкостенных труб такого диаметра можно применять сердечник, состоящий из стержней.

При сварке на частотах 8—10 кГц магнитопровод изготавливается из пластин электротехнической стали, на которые предварительно наносится методом фосфатирования изоляционный слой. При использовании охватывающего индуктора применяют два магнитопровода, один из которых располагается внутри трубной заготовки, а второй — снаружи. При использовании внутреннего индуктора применяют только наружный магнитопровод.

Шовообжимная и шовонаправляющая клети должны обеспечивать условия стабильного нагрева и формирования сварного соединения. Давление осадки в шовообжимной клети создается за счет разности периметров свариваемой заготовки и калибра шовообжимных валков. При этом полное давление на валки Р0 складывается из давлений на участках доформовки Рф и сварки Рсв

Р0 = Рф + Рсв,           (88)

где

Здесь   усредненное значение предела текучести, не зависящее от lос (при температуре осадки), кгс/мм2; rк и rр — радиусы рабочей поверхности и реборды шовообжимного валка; bн — толщина ножа шовонаправляющей клети; lкк — расстояние от места схождения кромок до оси валка; г — радиусы трубы на выходе из сварочного калибра (все линейные размеры выражены в миллиметрах).

Давление на участке сварки Рсв = Р + Рр, где

Рр = (DН+DК)lpPН/2

Здесь DИ и DK — диаметры трубы на входе и выходе из шово обжимной клети; lр — длина зоны формования (рис. 89); Рн — удельное начальное усилие, кгс.

Расчеты, произведенные по формулам (88)—(91), показывают что основную долю в сварочном давлении на шовообжимные валки составляет давление редуцирования (Рр) — 60—80%, а давление на участке осадки (Рос) — 15—30%. Эти давления растут с увеличением скорости сварки. Давление доформовки практически не зависит от скорости процесса. В зависимости от материала заготовки полное давление на валки при скорости сварки до 1,5 м/с для тонкостенных труб малых диаметров лежит в пределах 500—3500 кгс, а для труб средних диаметров доходит до 6000—

8000 кгс. Полное давление и определяет конструкцию шово- обжимного узла (рис. 90) сварочной машины и, в частности, конструкцию подшипникового узла 2 и минимальный диаметр шовообжимных валков 1. Как правило, узлы для сварки труб малых диаметров — двухвалко- Рис. 89. Калибр шовообжимного узла сые> Для средних диаметров — трех-, четырехвалковые. Шовообжимные валки имеют раздельную регулировку для точной установки их калибра относительно оси трубной заготовки и совместную регулировку для создания давления осадки.

Рисунок 89 - Калибр швообразного узла

Свариваемая заготовка, поступающая в шовообжимный узел, должна иметь строго определенное, стабильное положение V- образной щели относительно оси стана и постоянный зазор между свариваемыми кромками. Это обеспечивается с помощью шово- направляющей клети. Наибольшее распространение получили следующие конструкции клетей.

С двумя горизонтальными валками 1, причем верхний — с разрезной .шайбой 2, входящей в зазор между кромками и фиксирующей его (рис. 91). Благодаря совместному повороту обоих валков относительно центра формуемой заготовки на угол 10—- 15° достигается регулировка положения V-образной щели относительно шовообжимных валков. Недостаток этой конструкции заключается в том, что ток в кромках имеет второй путь через валок с разрезной шайбой, а это не только ведет к бесполезным электрическим потерям на нагрев клети, но и дестабилизирует процесс сварки. Поэтому расстояние от шовонаправляющей клети до индуктора должно быть в несколько раз больше, чем от индуктора до центра шовообжимных валков. Следовательно, эффективность такой конструкции невысока. Она применяется при производстве толстостенных труб из малоуглеродистых сталей, когда свариваемая заготовка формуется на угол 350—355°.

2. Если при указанной в п. 1 системе формовки необходимо иметь достаточно большой и стабильный угол схождения кромок (3—5°), шовонаправляющую клеть нужно располагать на малом расстоянии от оси шовообжимных валков, т. е. в непосредственной близости от индуктора. Для этого случая можно применить механизм, с помощью которого в зазор между кромками вводится пластина из минералокерамики — нож. Он может перемещаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях и строго фиксирует заданный угол схождения и положение кромок относительно валков шовообжимной клети. Нож имеет невысокую динамическую прочность, поэтому такая конструкция применяется только при сварке тонкостенных труб из алюминиевых и медных сплавов.

Рисунок 90 - Шовообжимные узлы: а — двухвалковый; б — трехвалковый

Свариваемая заготовка формуется на угол 330—340°, шово- направляющая клетв отсутствует, а окончательное формование заготовки производится в шовообжимной клети. При малом расстоянии между осями последней клети формовочного стана и шовообжимной клети происходит натяжение кромок, достаточное для стабильного их положения. Дополнительное натяжение кромок может быть достигнуто применением клети с.двумя вертикальными валками и калибром, не полностью охватывающим заготовку. Валки такой клети не замыкают кромки, и шовонаправля- ющая клеть может быть расположена сколь угодно близко от индуктора. Такая система формовки и фиксации заготовки при нагреве и осадке наиболее эффективна. Она применяется при сварке тонкостенных стальных и алюминиевых труб.

В табл. 33 приведены типы станов и установок для сварки труб малого и среднего диаметров из малоуглеродистой стали и алюминиевых сплавов, а в табл. 34 — значения приведенной мощности р0. Можно определить приведенную мощность для сварки труб из других материалов, взяв значение р0 для стали из табл. 34 и умножив его на соответствующий коэффициент. Значения коэффициентов приведены ниже:

Аустенитная сталь (класса 18—8).............................................1,4

Медь марки Ml....................................................1,7

Латунь марки Л68.........................................................1,3

Итак, используя приведенные рекомендации, можно выбрать для конкретного случая сварки необходимое оборудование.

Таблица 33. Типовые отечественные трубосварочные агрегаты для производства прямошовных труб диаметром 10—530 мм

Тип

агрегата

Материал

свариваемой

трубы

Толщина

стенки,

мм

Скорость

сварки,

м/мин

Часовая производительность, км

Тип высокочастотной сварочной установки

10-30

Сталь

Сплавы алюминия

0,5—1,5 0,5—2,0

50—100

50—100

4.8

4.8

ВЧС2-160/0,44 ВЧС2-160/0,44

20-76

Сталь

Сплавы алюминия

4,0

3,5

40—120

30—120

5,4

5,2

ВЧС1-400/0.44 ВЧС2-160/0,44

51-114

Сталь

1,2—5,5

50—120

5=600

3,4

12

ВЧС1-630/0.44 ВЧС1-630/0,44

102-220

Сталь

Сплавы алюминия

3,0—8,0 1,5—5,5

30—80

40—100

3,0

3,2

ВЧС 1 -630/0,44 или ВЧС1-1000/0,44 ВЧС1-400/0,44

203-530

Сталь

2,0—6,0 6,0—10,0

30—80

2,5

ВЧС1-1000/0.44 ИС 1-1500/10

Примечание. Агрегат 51-114 может работать с редукционным станом, при этом скорость выхода трубы составляет 600 м/мин.

Рисунок 91 - Шовонаправленная клеть

Определим, например, тип источника питания и параметры сварочной машины стана для сварки труб диаметром 50—60 мм с толщиной стенки 1,5; 2 и 2,5 мм из малоуглеродистой стали и алюминиевого сплава. Заданная скорость сварки — 80 м/мин. По данным табл. 32, для этого диапазона диаметров рекомендуется применить не менее двух одновитковых неразъемных индукторов. Ферритовые сердечники можно взять одного типа. По табл. 34 выберем значения приведенной мощности р0 для предельных отношений D/2d = 80/1,5 = 53 и D/2d = 80/2,5 = 32. Для стальных труб р0 = 1,1 кВт/(мм * м/мин), для алюминиевых р0 = 0,65 кВт/(мм-м/мин), но так как алюминиевые трубы можно сваривать без применения ферритового сердечника, то р0 = 1,8 кВт/(мм*м/мин).

Мощность источника питания при сварке стальных труб с толщиной стенки 2,5 мм определим по формуле P = p02du= 1,1 * 2,5 * 80 = 220 кВт; для труб толщиной 1,5 и 2 мм эти мощности будут соответственно 132 и 190 кВт.

В соответствии с табл. 17 необходимые скорости сварки могут быть обеспечены установками мощностью 160 и 400 или 250 кВт. Оптимальной была бы установка мощностью 250 кВт. Установка мощностью 400 кВт значительно сложнее в эксплуатации и дороже, поэтому целесообразно проанализировать возможность использования установки мощностью 160 кВт и снижения скорости сварки при производстве труб с толщинами стенок 2 и 2,5 мм. Тогда скорости сварки будут 72 и 58 м/мин соответственно. Так как эти скорости при заданных условиях значительно превосходят vKp, то, если допустимо снижение производительности, следует выбрать сварочную установку мощностью 160 кВт.

Максимальная мощность источника питания при сварке труб с толщиной стенки 2,5 мм из алюминиевых сплавов с применением ферритового сердечника Р = 0,65 * 2,5 -80 = 130 кВт, а при сварке труб с толщиной стенки 1,5 мм без сердечника Р = 1,8 * 1,5 -80 = 220 кВт, т. е. сварочное устройство мощностью 160 кВт полностью обеспечивает сварку труб заданного сортамента, а сварку труб с толщиной стенки 1,5 мм можно производить без ферритового сердечника. При этом скорость сварки v = 57 м/мин несколько ниже заданной, но значительно выше что вполне допустимо.

Таблица 34. Значения приведенной мощности р0 и критической скорости vKp для сварки прямошовных труб

II аруж- ный диаметр трубы,

Углы схождения и развала кромок, ...°

ро, кВт/(мм. м/мин) при сварке труб

м/мин

а

3

ос

3

с

сердечником

без сердечника

vKp,

Сплавы

Сплавы

алюми

ния

Сплавы

алюми

ния

мм

Сталь

Сплавы алюминия

D/2d

Сталь

алюми

ния

Dili

Сталь

Сталь

10—12

0,6

0,8

Не

оговари

вается

3.0

3.0

Не

оговари-

8

>10

1,2

1.1

0,7

0,65

-

-

1.5

10

16-25

1.5

1.5

3,5

4,0

8

>10

1.0

0,8

0,6

0,5

>20

-

1,5

2,0

10

28—48

2,0 1,5-2,0

<12

14

4,0

3,5

<8

<10

10

>12

L ,2 1,0

0.7

0,6

>30

3,0

15

53-63

2, 5 2,0-2,5

<12

14

4,5

4,0

<8

<10

12,5

>15

1,3

1,1

0,8

0,65

>40

-

1,8

4,0

15

70 — 83

2.5

2.5

<12

<14

4.5

4.5

<10

<10

15

>20

1,4

1.2

0,8

0,7

>50

2,8

2,0

5,0

20

89-102

3,0

2,5

<10

<12

5,0

4.5

<10

<10

16

>20

1.5

1.3

0,9

0,8

>50

3,0

2,0

5,0

20

114—127

3,0

2,5

<10

<12

5,5

5,0

<10

16

>20

1.6

1,4

1,0

0,8

>60

3,2

2,2

6,0

25

133-159

3.0

3.0

<10

<10

5,5

5,0

<10

18

>20

1,8

1,6

1,1

1,0

>70

3,5

2.3

6,0

25

168 — 203

3.0

3.0

<10

<10

6,5

6,0

<10

18

>20

2,0

1,8

1,2

1,1

-

8,0

30

Продолжение табл. 34

Наруж

ный

диаметр

трубы,

мм

Углы схождения и развала кромок, . . . °

р0, кВт/(мм-м/мин) при сварке труб

Окр> м/мин

с сердечником

без сердечника

а

3

а

3

D/2d

Сталь

Сплавы

алюми

ния

D/2d

С .а ль

Сплавы

алюми

ния

Сталь

Сплавы

алюми

ния

Сталь

Сплавы алюминия

220-245

3,5

<10

6,5

<10

>20

2,3

1,4

-

-

-

8,0

30

273-326

3,5

<1 0

-

-

>25

2,5

2,8

-

-

-

-

10,0

-

377 — 426

3,5

<10

«

-

>35

2,8

-

-

-

-

10,0

-

530

3.5

<10

-

-

>50

3,2

3,4

3,6

-

-

-

)

12,0

-

Выберем тип установки для сварки труб диаметром 203—530 мм с толщиной стенки от 3 до 10 мм при скорости 30—80 м/мин. Приведенная мощность р0 при сварке трубы диаметром 530 мм с использованием охватывающего индуктора на частоте 440 кГц равна р0 = 3,6 кВт/(мм*м/мин). Тогда мощность источника питания для получения скорости 30 м/мин при толщине стенки 10 мм будет Р = p02du = 3,6*10*30 = 1100 кВт. Таким образом, установка с частотой 440 кГц и максимальной мощностью 1000 кВт не обеспечивает проектных скоростей при сварке толстостенных труб (2d = 8/10 мм) заданного сортамента.

Для сварки той же трубы с применением сварочного устройства частотой 10 кГц в соответствии с табл. 30 принимается р0 = 4,2 кВт/(мм-м/мин). Исходя из этого мощность источника питания будет Р = 4,2*10*30 = 1260 кВт. Выбирается установка типа ИС1-1500/10.

Рисунок 92 - Установка ВЧС1-400/0,44 в составе трубоэлектросварочного стана 20-76

Трубоэлектросварочные агрегаты. В настоящее время в СССР построено более 60 трубоэлектросварочных агрегатов для сварки труб малого и среднего диаметров. Среди них следует отметить следующие.

Агрегат 20-76 с высокочастотной установкой мощностью 400 кВт, частотой 440 кГц для сварки труб диаметром до 76 мм (рис. 92). Подвод тока — индукционный охватывающим индуктором. Скорость сварки до 120 м/мин.

Агрегат 102-220 с высокочастотной установкой мощностью 1000 кВт, частотой 440 кГц для сварки труб диаметром до 220 мм. Подвод тока — индукционный охватывающим индуктором. Скорость сварки до 50 м/мин.

Агрегат 102-220 с высокочастотной установкой мощностью 250 кВт, частотой 440 кГц для сварки труб из алюминиевых сплавов диаметром до 220 мм. Подвод тока — индукционный охватывающим индуктором. Скорость сварки до 80 м/мин.

Агрегат 159-530 для сварки труб диаметром 159—530 мм. Высокочастотная установка выполнена по схеме рис. 70 с преобразовательной подстанцией и состоит из четырех преобразователей мощностью по 500 кВт, частотой 8000 Гц и напряжением 1000 В. Конденсаторная батарея сварочного устройства имеет 24 конденсатора напряжением 1000 В, общей мощностью 7200 квар. Шино- провод сварочной головки выполнен из двух шин толщиной 3 мм, шириной 500 мм, изолированных полипропиленовой прокладкой толщиной 3 мм. Шинопровод легко изгибается, а специальный механизм позволяет изменять положение индуктора относительно места сварки. Оптимальным оказалось сварочное устройство с индукционным подводом тока внутренним индуктором. Индуктор устанавливается на подвижной штанге, на которой также установлен конечный выключатель.

Во время сварки при прохождении через шовообжимную клетч ленты, имеющей расслой, индуктор может быть сорван со штанги. Конечный выключатель в нужный момент останавливает агрегат, предупреждая поломку индуктора.

Индуктор имеет катушку длиной 220 мм из четерых-пяти витков и магнитопровод сечением 67—80 см2, длиной 600 мм. Режим нагрева кромок при использовании внутреннего индуктора будет оптимальным, если индуктор и кромки расположить с учетом следующих требований:

Расстояние переднего торца магнитопровода индуктора от оси шовообжимной клети, мм...........................75

Зазор между корпусом индуктора и внутренней поверхностью трубной заготовки, мм...............20—30

Угол схождения кромок, ...°.....................................................2,25—2,5

Ширина щели между кромками в месте токоподводов индуктора, мм..............................33

Зазор между верхними углами кромок должен быть больше зазора между нижними кромками на 1—2 мм. Для всего диапазона диаметров свариваемых труб приведенная мощность равна 3,5— 4,2 кВт/(мм*м/мин).

Главной причиной выхода внутренних индукторов из строя является перегрев пластин электротехнической стали в крайних пакетах под передним торцом катушки, где индукция максимальна. Применение компенсатора, особенно при сварке труб диаметром 273— 426 мм, повышает их надежность.

Металлографические исследования сваренных труб показали, что в сварном шве наблюдается видманштеттова структура с размером зерна 3—4 балла; в околошовной зоне — троостосорбит, феррит с размером зерна 6—9 баллов и перлит; в исходном металле— феррито-перлитная смесь с размером зерна 6—7 баллов. Общая зона термического влияния составляет 7—8 мм.

В процессе наладки стана был опробован индукционный подвод тока охватывающим индуктором и внутренним с наружным магнитопроводом. При этом подтвердились отмеченные выше для этих типов индукторов достоинства и недостатки. Рассмотренный агрегат работает с 1965 г. до настоящего времени и его производительность доведена до 700 тыс. т труб в год.

Просмотров: 5502    Создан: 2016-01-03    Источник: Шанов А.Н. Высокочастотная сварка металла

Оцените статью: 1 2 3 4 5


Система Orphus