Производство труб

Раздел: Производство

Нагрев кромок трубной заготовки и сварка их током частотой 50—700 гц

При контактной сварке методом сопротивления ( 174) электрический ток подводится к сформованной трубной заготовке посредством вращающихся электродных колец, являющихся составной частью вращающегося сварочного трансформатора.

Электродные кольца и сварочные валки создают замкнутый калибр. Под действием усилий со стороны сжимающих валков и электродных колец кромки трубной заготовки сближаются. Через электродные кольца к заготовке подается электрический ток напряжением в несколько вольт и силой, достигающей десятка тысяч ампер.

Сопротивление стыка кромок трубной заготовки зйа- чительно больше, чем сопротивление трубы, в связи с чем происходит на них преимущественный нагрев кромок. При этом под давлением опорно-сварочных валков и электродных колец нагретые кромки привариваются друг к другу.

Участок контакта кромок от точки их схождения до плоскости осей опорно-сварочных валков, на котором осуществляется сварка, называется очагом сварки. Так как сварка кромок осуществляется не некоторой длине, каждая точка кромок находится в очаге сварки некоторое время.

Время нахождения точки кромок в очаге сварки зависит от его длины и скорости сварки. Вместе с тем при данной частоте сварочного тока оно должно быть не меньше определенной величины, так как при времени нагрева, меньшем четверти периода сварочного тока, отдельные участки будут попадать в место с максимумом силы сварочного тока и получать удовлетворительную сварку, а другие участки, на которые будет приходиться минимум сварочного тока, могут оказаться несваренными. Следовательно, качественную сварку можно осуществить либо путем увеличения длины очага сварки, либо путем снижения скорости сварки, или путем повышения частоты сварочного тока.

Возможности увеличения длины очага сварки весьма ограничены. При увеличении диаметров опорно-сварочных валков и электродных колец длина очага сварки увеличивается незначительно.

Снижение скорости сварки для улучшения качества сварного шва может применяться только как вынужденная мера при невозможности повлиять на процесс сварки другими способами.

Таким образом, контактная электросварка труб сопровождается периодической неоднородностью сварного шва в результате синусоидальных колебаний переменного тока.-При определенных скоростях сварки эта неоднородность, обнаруживающаяся как по внешнему виду шва, так и в его изломе, ведет к понижению прочности шва из-за периодических непроваров и, как следствие, нарушению его герметичности. Периодическая неоднородность уменьшается при увеличении частоты сварочного тока или снижении скорости сварки.

При контактной сварке труб методом сопротивления переменным током следует рассматривать два принципиально различных процесса: первый — при сварке со скоростью ниже критической, когда сваривание кромок происходит без следов оплавления, и второй — при сварке со скоростью выше критической, когда возникает непрерывное или чередующееся оплавление металла ( 176).

Значительную часть электросварных труб, применяемых в условиях, где не требуются высокие прочностные свойства сварного шва, можно сваривать со скоростью выше критической (сварка с оплавлением кромок). Такие трубы могут использоваться в системах с низким давлением, в конструкциях, где трубы работают на растяжение или сжатие, и т. п.

При сварке со скоростью выше критической процесс протекает следующим образом. На участке шва (см.  175), где схождение кромок совершается в момент максимума тока, развивается процесс оплавления, который по мере снижения тока на последующих точках шва переходит в сварку сопротивлением. Длина участка сварки оплавлением зависит от скорости движения трубной заготовки и частоты тока. Это приводит к различным механизмам соединения кромок — кристаллизации при сварке оплавлением, когда появляется жидкая фаза, и сварке диффузией при отсутствии жидкой фазы. В шве возникают высокие внутренние напряжения, приводящие к образованию микротрещин, расположенных перпендикулярно к оси трубы. Последующая термическая обработка не в состоянии ликвидировать горячие микротрещины и восстановить утраченные механические свойства трубы.

Контактную сварку труб в настоящее время совершенствуют по пути повышения частоты сварочного тока, что позволяет повысить производительность .станов и качество электросварных труб. Трубы сваривают переменным током частотой 50—700 гц. Увеличение частоты тока позволяет повысить прочность сварного шва, уменьшить величину грата. Так, для стана 6—32 целесообразно применять ток частотой 300 гц при скорости сварки 70—80 MjMun. При сварке с такими параметрами внутренний грат получается пологим, плотным, высотой не более 0,3—0,4 мм.

Механические свойства труб, сваренных током частотой 300 гцу соответствуют требованиям ГОСТа на бесшовные холоднодефор- мированные трубы. Сварной шов таких труб обладает весьма равномерными свойствами: при раздаче на конус они выдерживают увеличение диаметра на 35—40%, а сплющивание всех образцов труб можно осуществить до соединения их стенок.

Дальнейшее повышение частоты сварочного тока в пределах 300—700 гц позволяет получить качественно новые результаты. Для перехода на более высокие частоты сварочного тока требуется новое сварочное оборудование, разработка новой технологии.

Краткая характеристика сварочного оборудования

Трансформатор смонтирован на двух подшипниках У, надетых на вал трансформатора, с помощью которых его устанавливают на трубосварочном стане через изолирующие прокладки. Сердечник 2 трансформатора тороидного типа набран из листов электротехнической стали Э41 толщиной 0,5 мм. Первичная обмотка 3 трансформатора, состоящая из 52 витков, выполнена из медной трубки. Обмотка смонтирована на изолирующих шайбах сердечника. Контактно-щеточное устройство 4 служит для подвода тока от источника питания к первичной обмотке трансформатора. Напряжение через токоподводы подается к щеткам. Щетки скользят по контактным кольцам, смонтированным на стальном валу и соединенным с выводами первичной обмотки с помощью медных шин 5.

С помощью токопроводов 6 ток подводится к электродным кольцам 7. Предусмотрено водяное охлаждение 8 трансформатора. Электродные кольца имеют наружное водяное охлаждение.

Электрическое питание сварочного трансформатора осуществляется от трехмашинного агрегата ( 179).

Регулирование сварочного режима осуществляется реостатом включенным в цепь обмотки возбуждения возбудителя. Схема обеспечивает плавное изменение напряжения на сварочном трансформаторе в пределах от 100 до 440 в.

Такая установка надежна в эксплуатации, обеспечивает стабильный сварочный режим, плавно регулируемый в широких пределах.

Все современные станы для сварки труб сопротивлением снабжены механизмами для удаления наружного и внутреннего грата. Наиболее распространенным методом удаления наружного грата является зачистка его резцом с последующей закаткой в валках.

Внутренний грат удаляется оправкой (с резцом или роликом), которая закреплена на кронштейне перед шовонаправляющим ножом ( 180). Резец внутреннего гратоснимателя устанавливают перед валками гратоснимающей клети, ближе к оси дисковых электродов.

При радиочастотной сварке труб вследствие применения высоких скоростей процесса уже в настоящее время значительно возросла производительность существующих трубоэлектросварочных станов. Проектирование и изготовление новых станов позволит увеличить скорость сварки до 120 м/мин и выше. Высокое качество сварного соединения по длине и толщине заготовки позволяет даже сейчас заменять в промышленности дорогостоящие бесшовные трубы. В ближайшем будущем процесс контактной сварки труб методом сопротивления, имеющий ограничения по скоростям сварки и не обеспечивающий равнопрочности сварного шва по длине заготовки, будет в значительной мере полностью заменен радиочастотным (за исключением сварки труб малого диаметра—от 6,0 до 12 мм — при частоте тока до 350 гц) как более производительным процессом, позволяющим получать трубы, не уступающие по свойствам бесшовным.

Разработка конструкции сварного узла для радиочастотной сварки труб, допускающего снятие внутреннего грата и дефектоскопию сварного шва в потоке, позволит производить промышлен- чые партии труб не только из низкоуглеродистых сталей, но и ip. других металлов и сплавов.

Для производства труб диаметром 6—20 мм получает развитие оварка постоянным током. В связи с развитием промышленности по созданию многоамперных полупроводниковых выпрямителей коренным образом изменились возможности по созданию установок для сварки труб постоянным током.

Подвод тока осуществляется электродными кольцами, укрепленными на вращающейся вместе с ними установке, в которой происходит одновременно трансформация, а затем и выпрямление сварочного тока. Преимуществом такого решения является то, что на вращающиеся детали поступает ток небольшой силы.

Для выпрямления тока используют германиевые выпрямители. В качестве выпрямительных элементов применены германиевые вентили типа ВГВ-1000 с внутренним водяным охлаждением. Число вентилей определяется из допустимого среднего тока 700 а на вентиль. При выпрямленном токе 25 ка общее число вентилей равно 36.

Трубы, сваренные постоянным током, отличаются высоким ка- . чеством, имеют минимальный грат (высотой 0,15—0,25 мм)у не уступают бесшовным и используются в автотракторной промышленности в качестве трубопроводов.

Продолжительность нагрева трубной заготовки толщиной 2,5—9 мм составляет 1—3 сек. Длина индуктора обычно не превышает 500 мм. Поэтому используют несколько индукторов.

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

Питание индуктора током осуществляется от нескольких стандартных двигателей-генераторов высокой частоты (2—8 кац), например типа ВГО-500-2500 мощностью 500 кет и частотой

2500 гц. Коэффициент мощности системы индуктор    трубная заготовка меняется в пределах 0,15—0,3.

Напряжение, подводимое к индуктору, зависит от толщины стенки свариваемой трубы, скорости сварки, частоты тока, зазора между индуктором и трубой. Так, для труб диам. 219 мм подводимое напряжение равно 100—200 в. Рекомендуется следующая оптимальная частота тока:

Толщина стенки, мм 1—4 3—7 5—10 Частота тока, гц . 6000 2500 10Э0

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. После каждого индуктора устанавливают пару обжимных валков. Пара валков за последним индуктором является сварочной, Остальные служат для направления трубной заготовки. Шово- сжимающее устройство бывает двухвалковым, а для сварки труб с толщиной стенки 1,5—2,4 мм — и трехвалковым (см.  165).

Технологическая схема производства труб индукционной сваркой приведена на  185. Весь процесс подготовки и формовки" штрипса в трубу ничем не отличается от рассмотренного ранее, за исключением операции подготовки кромок (отсутствуют установки механической очистки кромок). После формовочного стана необходимы металлические щетки для удаления расслоившейся окалины с наружной поверхности трубной заготовки во избежание засорения индуктора.

Для уменьшения внутреннего грата целесообразно также снимать фаску со стороны внутренней поверхности ( 186).. При этом прочность шва не уменьшается, а внутренний грат практически отсутствует.

с разрезными шайбами) и 3—4 пар вертикальных холостых валков. Сварочная группа состоит из 2—3 клетей с вертикальными валками. Первые клети обеспечивают постоянство зазора между индуктором и трубой и поддержание кромок в сомкнутом положении. В последней клети происходит сварка кромок.

После сварки и снятия грата трубу охлаждают и калибруют на четырехклетевом калибровочном стане, который имеет три клети с горизонтальными приводными валками, одну клеть с вертикальными неприводными валками. Затем на индукционном разрывном станке трубы разделяют на длины по 8 и 60 м. Шестидесятиметровые трубы направляются на редуцирование. Перед редуцированием трубы подогревают до 750—800 °С в секционных печах и далее до 950—1000 °С в индукционных печах. Потом следует прокатка на 15—26-клетевом редукционном стане с натяжением (на 26-клетевом стане трубы редуцируют с диам. 76 мм на диам. 17 мм). После редуцирования трубы разрезают в потоке летучей пилой на мерные длины (до 12 м).

Индукционная сварка труб происходит при скоростях до 60 м/мин. Последующая прокатка на редукционном стане позволяет повысить скорость выхода трубы до 300—500 м/мин. Производство водогазопроводных труб при таких скоростях делает процесс экономически выгодным.

Работу редукционного стана предусматривают независимой от работы стана индукционной сварки, чтобы связь между ними не была жесткой (по такой схеме работают все зарубежные станы индукционной сварки). Это делает в целом установку более гибкой, но ухудшает экономическую эффективность процесса.

В частности, при индукционной сварке расходный коэффициент металла больше, чем при непрерывной печной сварке труб, так как из-за штучного редуцирования длина обрези составляет 1 —1,5 м с каждого конца трубы.

ВНИИМЕТМАШ разработал и впервые осуществил в нашей стране индукционную сварку труб с последующим непрерывным редуцированием, что повышает экономическую эффективность процесса и делает его конкурентоспособным с процессом непрерывной печной сварки. Следует еще учесть, что при индукционной сварке качество шва получается значительно выше, что позволяет использовать полученные трубы для более ответственного назначения.

В качестве исходной заготовки при этом методе сварки труб применяют ленту в рулонах. Оборудование для подготовки и формовки заготовки принципиально не отличается от описанного выше для сварки труб сопротивлением и радиочастотной.

Аргонодуговая сварка труб может производиться на тех же трубоэлектросварочных агрегатах, что и радиочастотная сварка- и сварка сопротивлением. Заменяют лишь радиочастотный ламповый генератор или сварочный трансформатор на соответствующее устройство для дуговой сварки. При этом соответственно снижается и скорость привода установкой специальных редукторов.

Схема аргонодуговой сварки прямошовных труб. Трубная заготовка из формовочного стана поступает к сварочному стану. Между кромками трубной заготовки и не- ялавящимся электродом из вольфрама возбуждается электрическая дуга. Происходит расплавление кромок заготовки. Обжимаясь в опорно-сварочных валках, кромки свариваются. Применяемый внутренний поддув зоны сварки позволяет значительно уменьшить величину внутреннего грата. Небольшая толщина стенки (1,5—3,0 мм) и необходимое сварочное давление дают возможность вести процесс без применения присадочного материала.

Применение аргона в качестве защитного газа обеспечивает более устойчивое горение сварочной дуги, лучшую защиту сварного соединения и меньшее провисание металла шва по сравнению с гелием, так как потенциал ионизации гелия выше, а плотность меньше, чем у аргона. Поэтому применение аргона для сварки труб из нержавеющей стали, титана и др. более целесообразно. Аргон подается в камеру через сопло сварочной головки под избыточным давлением 19,6—49 кн/м2 (0,2—0,5 am). Внутрь трубы аргон подается под избыточным давлением 29,2—98,1 кн/м2(0,3—1,0am).

При производстве труб диам. до 100 мм применяют вольфрамовый электрод одного диаметра, равный 4 мм. При аргонодуго- вой сварке используют постоянный ток напряжением 12—15 в и силой 150—200 а (это зависит от размера свариваемых труб). Для получения постоянного тока применяют сварочный трансформатор и преобразователь постоянного тока. Расход аргона при сварке со скоростью до 1 м/мин составляет 15—30 л/мин. На стане предусмотрена регулировка электрода как по высоте, так и поперек оси сварки.

Особое внимание при аргонодуговой сварке труб уделяют чистоте кромок. Кроме этого, при производстве труб из цветных металлов (титан, ниобий и т. д.), а также из высоколегированных сталей особенно следят за хорошей чистотой поверхности трубы. В связи с этим для уменьшения налипания металла валки последних клетей формовочного стана иногда выполняют составными. Участки валка, где имеется наибольшая вероятность налипания, изготовляют из текстолита или пластмассы. Наружный грат на трубе, образовавшийся после сварки, зачищают в потоке игло- фрезой. После зачистки грата и охлаждения трубу калибруют на калибровочном стане и разрезают на мерные длины резцовым отрезным устройством.

При аргонодуговой сварке предел прочности металла шва обычно на 10—20% выше, чем основного металла, а относительное удлинение ниже на 10—30%.

Трубы, сваренные этим способом, в основном предназначены для химической промышленности. Поэтому после сварки их подвергают холодной прокатке и волочению, последующей термической обработке для полного выравнивания свойств шва и основного металла. Это повышает коррозионную стойкость шва.

Аргонодугсвая сварка в сравнении с другими известными способами сварки труб из легированных сталей имеет следующие преимущества:

1)        полная защита металла и электрода от окисляющего воздействия кислорода воздуха;

2)        возможность работы без специальных электродных покрытий, флюсов и последующей очистки шва от флюсов и шлаков;

3)        устойчивость горения дуги, что облегчает осуществление непрерывного процесса сварки;

4)        высокие механические свойства и коррозийная стойкость сварного шва, а также хороший внешний вид;

5)        безопасность напряжения сварочного тока как при холостом ходе, так и при горении дуги.