Индукционный нагрев в сварочном производстве

К операциям сварочного производства, в которых используется индукционный нагрев, относятся подогрев изделий перед сваркой, собственно сварка и термообработка сварных соединений.

Подогрев перед сваркой. Трубы из малоуглеродистых сталей часто получают путем обжатия в сварочных валках заготовки, сформованной из ленты, нагретой предварительно в печи до темпе­ратуры 1350—1400 °С (печная сварка). Скорость сварки достигает 600 м/мин. Если использовать подогрев кромок штрипса перед сваркой индукционным способом, то в печи ленту достаточно на­гревать только до 1000—1100 °С, что снижает расход топлива, уменьшает потери металла в ока­лину, повышает износостойкость оборудования. Нагрев кромок может производиться плоскими ин­дукторами или индукторами поперечного поля на частоте 1000— 10 000 Гц.

П ри сварке толстостенных изделий, например химических реакторов, из легированных сталей дуговым или электрошлаковым способом в околошовной зоне возникают термические напряжении, которые приводят к образованию трещин. Индукционный подогрев до 250—350 °С уменьшает напряжения и позволяет получить требуемую скорость охлаждения металла шва. Швы бывают пря­молинейные и кольцевые, причем их диаметр достигает 5 м и более. Нагрев ведется обычно непрерывно-последовательным способом плоскими индукторами на частоте 50 Гц. Ширина нагреваемой зоны около 100 мм на сторону. Индукторы (рис. 16) имеют магнитопровод 1 с естественным охлаждением, в пазы которого уложены в 2—3 слоя витки обмотки 2 из медной трубки, охлаждаемой водой. Для защиты обмотки от теплового излучения и механических по­вреждений часто используются водоохлаждаемые коробчатые эк­раны 3 из меди или немагнитной стали. Такие экраны иногда по­мещают и под башмаки для уменьшения нагрева листов магнитопровода. Если толщина стенки d_э и общая толщина экрана t_э взяты малыми (t_э d_э <0,2 Δ_э, где Δ_э -— глубина проникновения тока в материал экрана), то потери в нем будут малы. Полезные удель­ные мощности составляют 200—500 кВт/м². Чтобы уменьшить теплоперепады в изделии, применяют тепловую изоляцию с боков и обратной стороны нагреваемой зоны. Если толщина стенки более 70 мм, желательно применять двухсторонний нагрев.

Высокочастотная сварка. Исключительно важное значение имеет сварка изделий при высокочастотном нагреве, особенно сварка продольных швов труб, профилей и оболочек кабелей. В на­стоящее время на более чем шестидесяти станах высокочастотной сварки ежедневно изготавливается свыше 3 млн. м труб и профилей из низкоуглеродистых сталей и сплавов цветных металлов. Диаметр труб составляет 10 —530 мм при толщине стенки 0,5—10 мм. До­стоинства шовной сварки при высокочастотном нагреве заклю­чаются в универсальности способа, позволяющего сваривать прак­тически любые металлы без применения защитных сред; в высокой экономичности процесса, связанной с локализацией энергии в узкой зоне кромок; в высоком качестве соединения и большой ско­рости процесса, достигающей 120 м/мин. В некоторых случаях, например при сварке алюминиевых и стальных оболочек кабелей связи, высокочастотный метод является единственно возможным способом нагрева.

Процесс сварки осуществляется на специальных сварочных станах (рис. 17), на которых штрипс из рулонов 1 разматывается, правится в валках 2, обрезается ножницами 3 и приваривается к концу предыдущего рулона в стыкосварочной машине 4. Непрерывная лента формуется в клетях 6 и 7 в трубную заготовку, ко­торая сваривается в трубу в клети 9 при нагреве индуктором 8. После снятия наружного грата резцом 10 и охлаждения шва труба калибруется валками 11 и режется ножницами 12 на участки оп­ределенной длины или поступает на редукционный стан, позволяю­щий из одной сварной трубы получать трубы меньшего диаметра и толщины. Перед редуцированием производится нагрев трубы в цилиндрических индукторах до температуры 900—1000 °С. Про­цесс непрерывен во время стыковой сварки рулонов лента посту­пает из специального накопителя 5. Сварочное устройство стана состоит из индуктора или системы контактного токоподвода, магнитопроводов, высокочастотного трансформатора и конденсаторов нагрузочного контура. Эти элементы объединены в один блок, носящий название сварочной головки. Источником питания служат ламповые генераторы или машинные преобразователи частотой 10 кГц. Источники питания располагаются в генераторном зале и соединяются со сварочной головкой кабелями. Выбор частоты тока и способа подвода энергии к трубной заготовке зависит от диаметра и толщины стенки трубы, качества штрипса и других фак­торов.

Т ок высокой частоты, подводимый к трубной заготовке индук­ционным или контактным методом, вследствие эффекта близости стягивается на стороны кромок, обращенные друг к другу, и бы­стро разогревает тонкий слой металла до плавления. Расплавлен­ный металл выдавливается при осадке в сварочных валках вместе с окислами, образуя наружный и внутренний грат. Минимальное количество расплава определяется надежностью удаления загряз­нений. Увеличение глубины прогретого слоя приводит к росту по­требляемой мощности, возрастанию объема грата и снижению устой­чивости тонких кромок при осадке в сварочной клети. Основными параметрами сварки являются длина кромок, увеличивающаяся с ростом их толщины и диаметра трубы и находящаяся в пределах 20—200 мм, угол схождения кромок, равный 1—6°, и величина осадки. Электрический режим характеризуется частотой тока и рас­ходом энергии w на единицу длины (м) и толщины трубы (мм).

В Росси за основную частоту для сварки труб принята частота 440 кГц, однако при малой толщине стенки (d = 0,3-0,4 мм) используется частота 1760 кГц, а при d > 6 мм и большом диаметре стальных труб — частота 10 кГц. Снижение частоты улучшает равномерность нагрева по толщине кромок, уменьшает напряжение на элементах схемы и скорость охлаждения металла в зоне шва, но приводит к росту расхода энергии. С повышением толщины трубы приведенная энергия w возрастает при любой частоте и способе подвода тока.

С варка с индукционным подводом энергии. При индукционном подводе энергии используются внешние и внутренние индукторы. Внешний индуктор имеет один или несколько витков (рис. 18) и может быть разъемным для облегчения монтажа. Магнитное поле индуктора 2 наводит в теле заготовки 3 ток, часть которого (рабочий ток) проходит по кромкам и замыкается через точку их схождения 4. Остальной ток замыкается по внутренней стенке трубы (шунтирую­щий ток). Для его уменьшения в полость трубы вводится сердеч­ник 1 из феррита или трансформаторной стали (при 10 кГц), закреп­ленный на кронштейне, проходящем через щель заготовки. Сердеч­ник интенсивно охлаждается водой. С ростом диаметра трубы уве­личиваются потери в ее теле и растет w. Этот недостаток индук­ционного подвода сглаживается при использовании внутреннего индуктора на частоте 10 кГц, что осуществимо, однако, лишь при диаметре труб свыше 200 мм. Возможен нагрев одновременно внешним и внутренним индукторами, что повышает скорость сварки и равномерность нагрева кромок.

Основными достоинствами индукционного подвода, обеспечи­вающими его преимущественное использование, являются высокая надежность и сниженные требования к качеству поверхности штрипса.

Сварка с контактным подводом. Контактный подвод тока осу­ществляется с помощью скользящих контактов с бронзовыми или вольфрамовыми наконечниками или же вращающихся роликов (дисков), прижимаемых с усилием 1000—10000 Н к кромкам заго­товки. По мере износа контактные наконечники заменяются, а ро­лики перетачиваются. Подвод тока к роликам осуществляется че­рез специальный воздушный трансформатор с вращающейся вто­ричной обмоткой. Скользящие контакты могут устанавливаться в любом положении по отношению друг к другу, что делает этот вид токоподвода основным при спиральной сварке труб, сварке несимметричных профилей и т. д. Роликовый подвод обладает боль­шим сроком службы и используется для труб диаметром 159— 219 мм.

Контактный подвод делается только при частоте 440 кГц, так как при этом меньше токи и больше напряжения, чем при 10 кГц, что облегчает работу контактов. Основной недостаток — малая износостойкость контактов, сильно зависящая от качества поверх­ности. Скользящие контакты приходится менять после сварки 20—25 км стальных труб при хорошей поверхности штрипса и 1—7 км труб — при плохой. Расход энергии при использовании скользящих контактов мало зависит от диаметра трубы.

Сварочные установки. К сварочным высокочастотным устройст­вам предъявляются особые требования в отношении надежности, так как выход из строя какого-либо элемента установки приведет к остановке всего стана и к большим материальным потерям. Вы­сокая надежность обеспечивается резервированием элементов (ин­дукторов, ламп и др.), применением высококачественных узлов и материалов, быстродействующей защитой, блочным исполнением оборудования.

Разработаны установки для сварки труб и профилей на частоты 10, 440 и 1760 кГц. Индукционные сварочные установки типа ИС на мощность 1000, 1500, 2000 и 4000 кВт с частотой 10 кГц предназначены для одно- и двухшовной сварки труб диаметром 203— 1620 мм с толщиной стенки 6—20 мм. Установки укомплекто­ваны машинными генераторами типа ОПЧ-250-10, работающими параллельно. Индукторы выполняются многовитковыми, что ис­ключает необходимость в понижающем трансформаторе. Согласо­вание индуктора с генераторами осуществляется последовательно-параллельным включением конденсаторов. В связи с этим напря­жение на индукторе достигает 1000 В при напряжении генераторов 800 В.

Скорость сварки может быть найдена по приведенной энергии w, которая при использовании внутреннего индуктора составляет 3,5—4 кВт*мин/(м*мм) при скорости 40—60 м/мин и диаметрах до 530 мм и возрастает до 5—8 кВт*мин/(м*мм) при увеличении диаметра трубы до 1620 мм и уменьшении скорости сварки до 10 м/мин. Расчет числа витков индуктора и других электрических параметров затруднен из-за сложности системы. Приблизительный расчет можно выполнить на основе схем замещения при вычисле­нии их элементов по графикам. Ориентировочное значение коэффициента мощности индуктора 0,2—0,3. Энергия, выделяю­щаяся в кромках, составляет 40—70% энергии, передаваемой в за­готовку трубы. В индукторе теряется примерно 10% подводимой энергии.

Высокочастотные сварочные установки с ламповыми генерато­рами ВЧС1-100/1,76 и ВЧС1-160/1,76 с колебательной мощностью 100 и 160 кВт и частотой 1,76 МГц разработаны для сварки тонко­стенных труб и оболочек кабелей. Для сварки на частоте 440 кГц выпускаются установки мощностью 160, 250, 400 и 1000 кВт.

Ламповые генераторы имеют специальную двухконтуриую схему.

При скорости сварки 120 м/мин и длине кромок 40 мм время нагрева элемента трубы равно 0,02 с, т. е. соизмеримо с периодом пульсаций выпрямленного напряжения. Чтобы получать стабиль­ное качество сварного шва, генераторы снабжены фильтрами анод­ного напряжения, снижающими его пульсации до 1%, Регулиро­вание напряжения производится тиристорным регулятором в пер­вичной цепи анодного трансформатора. Точность стабилизации высокочастотного напряжения достигает 0,1%.

Колебательные контуры содержат мощные керамические кон­денсаторы, с единичной мощностью до 1500 кВА. Для сварочных головок разработаны специальные понижающие трансформаторы. Из-за высокого первичного напряжения (до 10 кВ) межобмоточ­ный зазор приходится брать большим и обычные воздушные транс­форматоры получаются с малым коэффициентом связи, поэтому их собственная реактивная мощность в 3—4 раза превышает реак­тивную мощность нагрузки.

Разработаны специальные трансформаторы, имеющие незамкну­тый магнитопровод из ферритовых стержней, охлаждаемых водой, и первичную обмотку, герметизированную вспененным полисти­ролом ПСБ, позволяющим уменьшить зазор и повысить надеж­ность. Собственная реактивная мощность трансформатора от этих мероприятий снижается в 2—2,5 раза. В результате значительно уменьшаются размеры и стоимость высокочастотного контура и снижаются потери в его элементах.

Расчет режимов сварки на радиочастоте производится по кри­вым зависимости w от скорости сварки, толщины и диаметра трубы, полученным экспериментально. Для индукционного токоподвода w имеет минимум при диаметре трубы 20—35 мм, равный для стали 0,8—-1,0 кВт*мин/(м*мм), а для алюминия 0,5— 0,6 кВт*Мин/(м*мм). При диаметрах 133—203 мм значение w возрастает до 1,6—2,0 и 1,0—1,2 кВт*мин/(м*мм) соответственно. Окончательный режим сварки подбирается экспериментально. С уменьшением скорости сварки качество шва снижается; сущест­вует минимальная скорость, при которой сварка еще возможна. Для стали она составляет 1,5—2,0 м/мин. Ориентировочное значе­ние коэффициента мощности при индукционной сварке на частоте 440 кГц составляет 0,05—0,1, а при контактном подводе—при­мерно в два раза выше. Напряжение на индукторе 1—1,5 кВ, на контактах 0,15—0,7 кВ.

Очень эффективна высокочастотная сварка алюминиевых и стальных оболочек в кабелях связи. Сварка оболочек позволяет резко снизить стоимость кабеля, отказаться от применения дефи­цитного свинца, повысить производительность оборудования. По­скольку в полости оболочки находятся жилы кабеля (кабельный сердечник), поместить туда магнитопровод невозможно. Поэтому расход энергии в 1,5—2 раза выше, чем при сварке труб. Сварка ведется на частоте 440 или 1760 кГц при мощности 100—160 кВт. Скорость сварки достигает 80—90 м/мин, снижаясь до 20—25 м/мин во время сращивания кабельного сердечника. На кабельных ста­нах используется автоматический регулятор, датчик которого улавливает излучение очага сварки. Регулятор воздействует па управляемый выпрямитель генератора, отрабатывая возмущения по скорости движения кабеля и толщине оболочки.

Кроме сварки труб и оболочек кабеля, нужно отметить шовную сварку полос, в том числе биметаллических, незамкнутых профилей, биметаллической проволоки, приварку продольных или спиральных ребер к трубам, а также одновременную высокочастотную сварку незамкнутых швов конечной длины.

Трубы из малоуглеродистых сталей свариваются встык при нагреве зоны сварки в кольцевом индукторе. Вну­тренние слои прогреваются за счет тепло­проводности, поэтому сварка ведется без плавления, а время нагрева велико — от единиц до десятков се­кунд. Для ограничения зоны нагрева используется магнитопровод. Частота тока 1—10 кГц. Мощность установок — десятки или сотни киловатт. Проектирование установок ведется примерно так же, как для поверхностной закалки.