Глава 9. Способы и оборудование для сварки труб

9.1. Способы и оборудование для сварки труб малого и среднего диаметров

Способы сварки труб имеют различную физическую сущность и разделяются на два вида: сварку давлением (печная, высокоча­стотная, сопротивлением) и сварку плавлением (дуговая).

Сварка давлением осуществляется путем нагрева кромок труб­ной заготовки до высоких температур (первый этап) и последую­щего их сжатия с доведением до совместной пластической дефор­мации (второй этап - собственно сварка). Разные способы сварки давлением отличаются главным образом методом нагрева кромок: при печной сварке нагрев производится теплом сгорания топлива, а затем дополнительно - теплом окисления металла при высоких температурах, при электросварке - теплом, выделяемым при про­хождении электрического тока. Сжатие и осадка кромок произво­дятся за счет усилий, возникающих при редуцировании заготовки в круглом калибре. При этом сварочное давление р_св на стыке кро­мок, представляющее собой нормальное тангенциальное напряже­ние σ_θ(рис. 9.1), равное

зависит от среднего давления на внешнем контуре трубы и, сле­довательно, от степени деформации по диаметру. Высокая темпе­ратура и пластическая деформация приводят к оплавлению и раз­рушению пленок оксидов, покрывающих металл, сглаживанию не­ровностей поверхностей кромок и выдавливанию оксидов из стыка.

Сжатие чистых поверхностей металла и интенсивная рекристаллизация при высоких температурах приводят к образованию сварного шва с непрерывной структурной связью кромок. В некоторых случаях температуру нагрева поверхности кромок поднимают до начала оплавления металла, что дополнительно облегчает удаление оксидов из стыка кромок. Размягченный и расплавленный металл, выдавливаемый совместно с оксидами за пределы очага деформации кромок, образует наружный и внутренний грат.

Рис. 9.1. Напряжения в сварочном ка­либре, обусловливающие сжатие и осадку кромок трубной заготовки (вари­ант образования калибра двумя верти­кальными валками со стыком в зазоре валков): 1 - валок; 2 - стык свариваемых кро­мок; 3 - трубная заготовка

Сварка давлением принципиально возможна в области температур от начала рекристаллизации до температуры плавления. Однако при установлении практической области сварки трубных швов необходимо учитывать, с одной стороны, что прочность шва возрастает с увеличением температуры, давления в стыке и продолжительности выдержки сварного стыка под давлением, с другой - относительно невысокие допустимые сварочные давления, ограниченные устойчивостью кромок и возможностью их смещения, а также небольшие выдержки под давлением в калибрах трубосварочных станов. При указанных условиях прочный сварной шов может быть получен при температурах, предельно высоких для ме­талла, находящегося в твердом состоянии, и обеспечивающих его высокую пластичность, малое сопротивление деформации, рас­плавление оксидов, а при необходимости получения усиленного шва - оплавление поверхностей кромок.

Сварка плавлением сопряжена с образованием ванны расплав­ленного металла (сварочной ванны). Расплавление металла при сварке трубных швов производится за счет тепла электрической дуги между кромками и электродом при температуре более 2000 °С. Плавятся только кромки при использовании неплавящегося вольфрамового электрода (при газоэлектрической сварке) или одновременно кромки и плавящиеся электроды (при сварке под флюсом). Образование сварного шва осуществляется в процессе выхода из зоны действия дуги, остывания и кристаллизации рас­плавленного металла. Предохранение ванны от контакта с возду­хом и окисления металла производится инертным газом или слоем расплавленного флюса. Кромки трубной заготовки при плавлении и остывании ванны удерживаются на постоянном расстоянии друг от друга, а их сдавливание, как при сварке давлением, не произво­дится.

Сварка плавлением по сравнению со сваркой давлением более энергоемка, производится со значительно более низкой скоростью, однако обеспечивает более высокую надежность сварного шва.

Оборудование для сварки предварительно сформованных труб­ных заготовок характеризуется большим разнообразием и зависит не только от типоразмера стана, но и от принятого способа сварки.

Непрерывная печная сварка. Применяют для изготовления водогазопроводных труб диаметром от 13,5 мм (1/4") до 114 мм (4") с толщиной стенки 1,8 - 8,0 мм.

Схема процесса печной сварки встык на непрерывных станах показана на рис. 8.4. Горячекатаный штрипс 1 нагревают в печи до температуры 1280 - 1320 °С. При этом температура кромок штрипса на 40 - 80°С выше температуры основного металла. При выходе из печи кромки штрипса обдувают воздухом, который подается через сопло 2, в результате чего температура кромок повы­шается до 1390 - 1480 °С. Струя воздуха не только повышает тем­пературу кромок штрипса, но и сдувает с них окалину. Штрипс сворачивается (формуется) в первой паре вертикальных валков 3. Перед сжатием штрипса в следующей паре горизонтальных валков 4 кромки штрипса подвергаются вторичной обдувке через свароч­ное сопло 5 для подогрева штрипса до температуры сварки 1500 - 1520°С. Сварку трубы осуществляют сжатием кромок при прохож­дении нагретого штрипса через сварочную клеть, состоящую из сварочного сопла и двух горизонтальных валков. Последующие по­парно расположенные валки (от четырех до десяти пар служат для создания усилия, необходимого для протягивания штрипса через печь и формовочные валки, а также для дополнительного обжатия (редуцирования), повышающего качество сварного шва. Таким об­разом, формовка и сварка трубы осуществляется при прохождении нагретого штрипса через формовочно-сварочный узел, состоящий из двух вертикальных валков, сопла 5 и двух горизонтальных вал­ков.

За формовочно-сварочным узлом устанавливают четыре пары валков с круглыми и овальными калибрами, которые обеспечивают создание усилия, необходимого для протаскивания штрипса через печь и формовочный калибр, а также служат для редуцирования трубы с целью повышения качества шва и увеличения производи­тельности.

В сварочном калибре происходит формовка заготовки до сбли­жения кромок, а затем обжатие заготовки с интенсивной деформа­цией нагретых до более высокой температуры кромок.

При выборе обжатия в сварочном калибре необходимо учиты­вать тонкостенность труб и связанную с ней потерю устойчивости трубы в калибре. Рекомендуется следующая зависимость предель­ного относительного обжатия ε(%) по диаметру при d₂/S_ш≤ 30:

ε = 22,5 – 0,6(d₂/S_ш), (9.2)

где е = (∆d₂/S_ш)100; d₂ - диаметр сварочного калибра или началь­ный диаметр трубы после свертки штрипса; ∆d2 - обжатие по диа­метру в сварочном калибре; S_ш - толщина штрипса.

При повышении обжатия сверх определенного значения нарушаются нормальные условия доформовки штрипса и происходит частичная потеря кромками устойчивости, что приводит к ухудше­нию качества шва.

Экспериментальная зависимость величины обжатий от степени тонкостенности труб с учетом условий потери устойчивости и по­лучения качественного шва приведена на рис. 9.2

Контактная элект­росварка труб методом сопротивления. Электро­сварку методом сопротив­ления (рис. 9.3) на обыч­ной (50 Гц) и повышен­ной (до 150 Гц) частотах широко применяют для изготовления труб диа­метром 6 - 250 мм с тол­щиной стенки 0,4-20 мм из углеродистой стали.

Рис. 9.3. Схема контактной элек­тросварки труб методом сопро­тивления

Рис. 9.2. Влияние сварочного обжатия на каче­ство шва:

1 - минимальные обжатия, необходимые для получения качественного шва;

2 - максималь­ные обжатия по условиям доформовки штрипса;

3 - максимальные обжатия по условиям устой­чивости;

4 - оптимальные рекомендуемые обжатия

Через электродные кольца 1 вращающегося трансформатора к кром­кам заготовки подводится электрический ток. Элек­тродные кольца изолиро­ваны между собой про­кладкой 2. Стык кромок трубной заготовки б, по­падая в зазор между элек­тродными кольцами, на­гревается за счет более высокого элек­трического сопротивления. Обычно металл в зоне стыка не доводится до расплавления и сварка происходит при пластическом состоянии металла. Под давлением сварочных валков 3 и электродных колец 7 нагретые кромки трубы осаживаются и свариваются. Правильное направление кромок заго­товки 6 обеспечивается валками 4, имеющими направляющий нож 5.

Температура нагрева кромок Тк - один из основных параметров, опреде­ляющих качество сварки сопротивле­нием; ее определяют по формуле:

где I_c- сила сварочного тока; R_K - сопротивление сварочного контакта; А - коэффициент, учитывающий физические свойства ме­талла; F - площадь свариваемого сечения; L - длина очага сварки; V - скорость движения трубной заготовки.

Практика работы сварочных станов показала, что качествен­ный шов получается при следующих соотношениях частоты тока и скорости сварки:

Прочность сварного шва во многом зависит от того давления, которое создается в очаге деформации сварочными валками и электродными кольцами. Качественный шов при сварке низкоугле­родистых сталей получается при давлении 1-1,2 МПа. Увеличе­ние скорости снижает температуру сварки и требует более высоко­го давления.

Техническая характеристика сварочных станов ТЭСА для свар­ки труб сопротивлением приведена в табл. 9.1.

Таблица 9.1. Техническая характеристика станов ТЭСА

Индукционная сварка труб. Индукционная сварка труб приме­няется для производства водогазопроводных и конструкционных труб диаметром 21,5 - 219 мм.

Процесс индукционной сварки труб заключается в нагреве кромок трубной заготовки индукционным током до сварочной темпе­ратуры и затем сдавливании кромок, в результате чего происходит их сварка.

Нагрев кромок осуществляется плоским индуктором 7, состоящим из магнитопровода 2 и индуктирующего провода 5, расположенным над кромками движущейся под индуктором трубы (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Принципиальная схема индукционной сварки труб

Индуктирующий провод 3 состоит из трубки, охлаждаемой водой. Магнитный поток 4, создаваемый током индуктора, пересекает трубную заготовку перпендикулярно ее поверхности. Линии магнитного потока возникают по всей длине индуктора. Под действием магнитного потока 4 в трубной заготовке индуктируется ток 5 который протекает вдоль кромок заготовки и нагревает их до сва­рочной температуры. Индуктируе­мый ток возникает на обеих кромках трубы. Направление линий тока показано на рис. 9.4. До наиболее высокой температуры при этом нагреваются края кромок. За индуктором устанавливаются сварочные ролики б, которые сдавливают кромки, в результате че­го происходит их сварка. Таким образом, при индукционной свар­ке осуществляется бесконтактный подвод тока, благодаря чему токоподводящие устройства не изнашиваются. Ток не проходит через стык кромок, поэтому при индукционной сварке можно изготов­лять трубы из горячекатаного штрипса без специальной обработки кромок. Число индукторов выбирают в зависимости от необходи­мой скорости сварки (от одного до трех).

Режимы сварки. Применение тока высокой частоты (1000 - 8000 Гц) обеспечивает равномерный прогрев кромок по всей длине участка заготовки, расположенного под индуктором. Поэтому шов при индукционной сварке не имеет ярко выраженной "строчечной" структуры, как при контактной сварке сопротивлением токами промышленной частоты (50 Гц).

Частота тока определяется таким образом, чтобы глубина про­никновения тока δ_Т была в 2 - 3 раза больше толщины стенки тру­бы S, т.е. δ_Т > 2S, причем

где р - удельное сопротивление; 𝜇 - магнитная проницаемость стали; f - частота тока.

Для индукционной сварки труб обычно применяют следующие частоты сварочного тока:

Зависимость скорости сварки V от толщины стенки трубы S и мощности сварочного трансформатора при правильно выбранной частоте тока определяется кривыми, приведенными на рис. 9.5.

Индукционная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению со сваркой сопротивлением:

1. не требуются травильные агрегаты и специальные машины в линии стана по очистке кромок ленты от окалины, так как про­цесс нагрева является бесконтак­тным;

2. не требуется установка в линии стана дисковых ножниц, поскольку стыкуемые кромки не являются токопроводящими пло­скостями их физическое состоя­ние не оказывает влияния на ка­чество сварки;

3. можно получать большие скорости сварки (50 - 80 м/мин);

4. не необходимости приме­нять изнашивающиеся дорогосто­ящие электродные кольца.