Традиционно длинномерные металлургические полуфабрикаты типа тавровых и двутавровых профилей в массовом промышленном производстве получают такими методами как непрерывная прокатка, прессование, литье, дуговая сварка. Наиболее распространенный метод непрерывной прокатки стальных профилей требует создания достаточно сложного и дорогостоящего оборудования, больших производственных площадей и высокого энергопотребления при разогреве заготовок до прокатных температур. Прокатка не позволяет получать профиль с разной толщиной элементов и ассиметричный профиль.

Прессование и литье профилей имеют низкую производительность, а получение профилей с помощью дуговой сварки связано с необходимостью предварительной механической обработки, которая весьма трудоемка и требует последующей правки изделия.

Все указанные методы не обеспечивают производства тонкостенных профилей с толщиной элементов менее 2,5-3 мм, поэтому в промышленных конструкциях часто используют тавры либо двутавры более толстостенные, чем требуются по результатам расчетов нагрузок.

Для получения развитой поверхности теплопередающих устройств используют трубы или плоские элементы с накатанными, напрессованными или приваренными ребрами.

Еще в 60-70-х годах прошлого века, после широкого и успешного освоения процесса высокочастотной сварки труб, в патентной и научно-технической литературе появилось множество публикаций о возможности и целесообразности использования принципов, лежащих в основе высокочастотной сварки при производстве изделий имеющих соединение в тавр.

Это объясняется достоинствами процесса высокочастотной сварки, которые весьма эффективно могут быть использованы при производстве изделий таврового профиля.

Среди них можно отметить:

  • самоочистку свариваемых поверхностей;
  • электродинамические явления в зазоре между свариваемыми элементами («пинч-эффект»: вытеснение и сброс жидкой фазы со свариваемых поверхностей за счет взаимодействия сварочного тока и электромагнитного поля в зазоре) обеспечивают очищение поверхностей от исходных окисных пленок и высокое качество сварки без какой-либо подготовки кромок;
  • отсутствие необходимости использовать защитную или восстановительную атмосферу. Скорость протекания процесса столь велика, что процессы окисления не успевают происходить даже в случае сварки таких материалов как титан.;
  • отсутствие присадочного материала. В сварке участвует только нагретый до плавления металл кромок свариваемых заготовок, что обеспечивает высокое качество сварного шва;
  • высокую производительность процесса. Скорость сварки может достигать десятков метров в минуту;
  • возможность точного дозирования передаваемой к кромкам энергии. Это позволяет образовывать сварные швы большой протяженности из тонкостенных заготовок (в отличии от многих традиционных методов сварки);
  • образование сварного соединения происходит в условиях скоростного нагрева и охлаждения, а также значительных давлений. Это обеспечивает получение мелкозернистой микроструктуры шва и околошовной зоны и, следовательно, высокую пластичность сварного швов.

Подобные достоинства метода высокочастотной сварки не могли не привлечь разработчиков новых технологических процессов производства металлических изделий, имеющих тавровое соединение.

Однако, несмотря на положительный опыт по созданию процессов высокочастотной сварки труб различного сортамента, специалисты столкнулись с целым рядом новых специфических проблем, связанных с реализацией сварки таврового соединения и ее стабильности

Сборка свариваемых элементов осуществляется таким образом, что между ними создается зазор в виде У-образ- ной щели. От источника питания 5 с помощью контактов 4 к свариваемым элементам 1 и 2 подводят ток высокой частоты. В каждый момент времени ток высокой частоты течет по «ребру» и «поверхности» в противоположных направлениях. За счет эффекта близости и поверхностного эффекта [1], также, как и при высокочастотной сварке труб, обеспечивается высокая концентрация тока на свариваемых поверхностях [2].

Однако, в отличие от сварки труб, где свариваемые кромки симметричны и имеют одинаковое сечение, «свариваемые поверхности» в случае производства тавровых профилей находятся в более «сложных», абсолютно несимметричных условиях, при которых на элементе «ребро» мощность выделяется в малом объеме, определяемом толщиной элемента и глубиной проникновения тока в металл, температура растет быстро и сохраняет свою величину, а на элементе «поверхность» мощность выделяется в широкой полосе, температура нарастает медленнее и быстро падает из-за большего теплоотвода в холодные слои металла.

Сказанное выше является основной проблемой сварки в тавр, заключающейся в резко выраженной неравномерности нагрева элементов в точке их схождения.

В ВНИИТВЧ им. В. П. Вологдина (г. Санкт-Петербург), проводились многолетние исследования процессов высокочастотной сварки изделий в тавр. В результате были разработаны оригинальные конструктивные и технологические решения и приемы, которые позволили реализовать на лабораторных стендах сварку тонкостенных ,широкополочных двутавров для строительства, особо тонкостенных тавровых профилей (0,5 — 1 мм) для нужд теплоэнергетики, особо толстостенных тавровых профилей (20-24 мм) из титана для авиации, среднего сортамента тавров (6-10 мм) для судостроения и трехреберных листовых панелей для корпусных конструкций (6-10 мм) для судостроения.

Каждая из этих работ включала этапы математического и физического моделирования, в том числе, натурное макетирование с созданием действующих макетов, моделирование в аэродинамической трубе; проводились исследования полученных образцов (механические испытания широкого профиля; металлографические исследования; натурные испытания изделий-)* В работах принимали участие научно-исследовательские, проектно-конструкторские институты и заводы России и стран СНГ (ВИЛС,' ЦНИИТМАШ, ЦНИИПСК, ЦНИИПРОМ- ЗДАНИЙ, ЦНИИТС, ВИСП, НИАТ, АТОМКОТЛОМАШ, ЦНИИ им. ак. Крылова, ЗиО г. Подольск, Котельный завод г.Таганрог, ЗАЗ г. Запорожье и др.).

В результате исследовательских и проектных работ были созданы и введены в промышленную эксплуатацию линии с использованием высокочастотной сварки по производству тонкостенных тавровых профилей с толщиной стенок 1 -3,5 мм для нужд автомобильного производства, труб с продольным оребрением для котлостроения, труб со спиральным оребрением и оребренных панелей теплообменных агрегатов.

Ниже рассмотрены основные задачи, встававшие перед российскими и зарубежными специалистами при разработке технологии получения изделий типа тавр методом высокочастотной сварки и пути их решения.

1. Выравнивание температуры свариваемых заготовок

1.1. Обеспечение концентрации источников тепла за счет деформации «поверхности»

Все технологические приемы чрезвычайно трудоемки, в большинстве случаев не решают задачу в полной мере и могут применяться лишь в ответственных случаях (например; в случае особотолстостенных профилей для нужд авиации) в комплексе с другими приемами.

1.2. Воздействие на электромагнитное поле в зазоре между свариваемыми элементами

В зазоре между «ребром» и «поверхностью» устанавливаются экраны различной конструкции из материала с высокой электропроводностью, которые снижают интенсивность нагрева «ребра» и повышают нагрев «поверхности». Экраны получили условное название «пассивные» концентраторы либо деконцентраторы тока. Эти решения недостаточно эффективны, и могут быть использованы только для относительно толстостенных профилей (или в сочетании с другими приемами).

1.3. Обеспечение предварительного нагрева «поверхности»

Создать условия для практически полного выравнивания температуры нагрева элементов при сварке в тавр удалось с помощью специальных устройств. Наибольшую интенсивность нагрева обеспечивает, так называемый «активный» концентратор тока. Концентратор представляет собой шину (индуктирующий провод) по которой пропускается сварочный ток. Шина проходит вдоль «поверхности», обеспечивая ее локальный (по ширине) нагрев. В случаях спирального оребрения труб концентратор выполняется в виде охватывающего трубу индуктора (одно, двух или трех виткового). Серьезным недостатком такого устройства является его низкая надежность, обусловленная частыми электрическими пробоями между шиной и «поверхностью». Пробои приводят к возникновению электрической дуги и выходу из строя системы токоподводов. Применение этих устройств, требует повышения электрической прочности зазора между шиной и «поверхностью» (изоляции шины или увеличении зазора). При этом следует учесть, что увеличение зазора резко снижает эффективность нагрева под концентратором.

Хорошие результаты позволили получить устройство токонесущая шина («концентратор» тока ) включена здесь не в сварочную цепь, а является частью короткозамкнутого витка, периферийные стороны которого индуктивно связаны с токоподвода- ми. Такое устройство получило название «концентратор трансформаторного типа». Устройство не имеет кондук- тивной связи с токоподводами и электрические пробой на этом участке сварочной цепи отсутствуют. В результате, при правильном конструировании надежность работы устройства существенно повышается, а эффективность не уступает «активному» концентратору (прежде всего за счет минимальных зазоров между концентратором и «поверхностью»).

Применение такого устройства позволяет обеспечить требуемое равенство температур в случаях, когда неравномерность нагрева элементов очень высока. Устройство дополняется элементом под названием «деконцентратор» тока. Деконцентратор представляет собой индуктирующий провод, расположенный вдоль поверхности «ребра» по которому пропускается сварочный ток. Подключается провод таким образом, что ток в нем направлен встречно току кромки «ребра». При подборе параметров (длины провода, расстояния до кромки «ребра», зазора), можно не только изменять плотность тока на кромке «ребра», но и при определенных условиях, создавать требуемое температурное распределение по глубине кромки.

В этом случае индуктирующий провод (концентратор) питается от другого источника или подключен параллельно токоподводящим элементам. Такое решение имеет как серьезные достоинства, так и недостатки.

Последние связаны с трудностями конструктивного встраивания устройств в ограниченном объеме зоны сварки (при питании от другого источника) и проблемами настройки системы двух различных нагрузок (при питании от одного источника).

4. Способ в значительной мере исключающий неравномерность нагрева

Особое место среди процессов высокочастотной сварки в тавр занимает технология спирального оребрения труб, разработанная американской фирмой ТЬегтаЮо1 Согр. В настоящее время технология успешно реализуется на линиях спирального оребрения труб, которые производят ведущие зарубежные фирмы, а также на целом ряде отечественных установок оребрения труб производства ЦНИИТМАШ.

Технология реализует несколько иной процесс нагрева под сварку, чем принят на российских установках. Ток высокой частоты подводится к свариваемым элементам в непосредственной близости от точки их схождения. В этом месте зазор между элементами меньше толщины «ребра» и плотности тока на кромке «ребра» и на «поверхности» (трубе) близки по величине.

Основной нагрев элементов происходит в точке их соприкосновения (т. е. процесс имеет общие признаки со сваркой сопротивлением). Такой подход в значительной степени выравнивает условия нагрева под сварку.

Для снижения влияния неравномерных условий отвода тепла от элементов процесс ведется на очень больших скоростях, вследствие чего теплопроводность металла не успевает обеспечить диффузию тепла. В результате неравномерность нагрева свариваемых элементов при сварке по этой технологии сводится к минимуму.

Процесс весьма экономичен, т. к. объем нагреваемого под сварку металла существенно меньше, чем в других процессах сварки в тавр.

К недостаткам зарубежных линий, где используется подобная технология, следует отнести сложность оборудования и технологических устройств, реализующих такую технологию, их существенно большую стоимость (в разы превышающую стоимость оборудования отечественного производства). Кроме того, эту технологию характеризует некоторая нестабильность нагрева под сварку, а также сложность реализации процесса для оребрения труб малого диаметра. Нестабильность нагрева связана с тем, что длина нагреваемых кромок соизмерима с длиной контактных наконечников, и в процессе работы место токосъема может существенно менять положение (отдаляясь или приближаясь к точке сварки). Кроме того, в случае когда материалы имеют низкий температурный интервал свариваемости (менее 50-100 °), например, в случаях сварки нержавеющих или жаропрочных сталей и сплавов, качество сварки не всегда удовлетворяет потребителя, т. к достигнуть полного равенства температур все-таки не удается

2. Нагрев свариваемых элементов под сварку

В разделе 1 рассмотрено множество эффективных приемов по выравниванию температурных условий на свариваемых элементах тавра. Тем не менее, процесс сварки в тавр часто ведется в условиях, когда равенство температур на элементах, необходимое для получения сварного соединения, достигается лишь в результате избыточного оплавления кромки «ребра». Дело в том, чтс| применение предварительного нагрева «поверхности» с помощью концентратора тока, приводит к увеличению глубины прогрева «поверхности» и определяет этим новые проблемы. Прежде всего, это дефекты сварки, проявляющиеся в виде продавленного или прорезанного «ребром» элемента «поверхность». На практике, в качестве компромисса, процесс часто проводят в условиях некоторого недогрева «поверхности» и перегрева «ребра». Особенно это характерно для случаев сварки тонкостенных элементов. Качество соединений при этом обычно невысокое, а товарный вид изделия неудовлетворителен (крупный неравномерный грат, прожоги на кромке «ребра» и т.д.). Металл «поверхности» может при этом не доводиться до состояния жидкой фазы и остается в пограничном состоянии (жидко-твердой фазы.)

В случае сварки материалов, имеющих высокую температуру плавления окисных пленок (например, в случае использования нержавеющих сталей), это может приводить к низкому качеству сварных соединений, т.к. даже при избыточном сдавливании элементов в шве остаются раздробленные окисные пленки. Такие проблемы встречаются, например, при спиральном оребрении труб.

В этом процессе часто применяют концентраторы тока большой длины (например, в виде двух- и даже трех виткового индуктора), расположенные на большом расстоянии (по спирали навивки) от точки схождения, Это обуславливает низкий градиент температуры по сечению стенки трубы и вынужденное снижение температуры нагрева поверхности, и,следовательно, низкое качество сварного соединения.

Наиболее очевидным решением данной проблемы является уменьшение времени предварительного нагрева «поверхности» или увеличение скорости сварки (для снижения диффузии тепла в глубину металла), а также увеличение частоты сварочного тока, приводящее к уменьшению глубины проникновения.

Эти приемы, однако, не универсальны. Увеличение скорости сварки, как и увеличение частоты тока, требует соответствующих, как правило, более дорогих источников питания, что не всегда можно обеспечить. Кроме того скорость сварки в ряде случаев ограничивается технологическими соображениями, связанными с процессом в целом. Имеются конструктивные ограничения и по уменьшению длины участка предварительного нагрева «поверхности».

При сварке тонкостенных профилей ответственного назначения с толщиной «ребра» менее 2,5-3 мм к распределению температурного поля «ребра» могут предъявляться дополнительные требования. Чтобы повысить механические характеристики сварного соединения, у основания «ребра» формируется галтель усиления. Для этого температурное поле зоны нагрева должно обеспечить плавный спад температуры от нагреваемой кромки «ребра» в глубину, что при дальнейшем приложении усилия осадки приводит к образовании галтели на торце «ребра».

Очевидно, что формирование галтели подобным способом требует более низких частот и меньших скоростей сварки, что противоречит условиям получения качественной сварки тонкостенных элементов тавра. Хорошие результаты по формированию требуемого температурного распределения на «ребре» позволяют получать «деконцентраторы» тока ( см. раздел 1.3).

Существуют и другие техническое решения, позволяющие воздействовать на температурное поле листового элемента «поверхность», например, это могут быть различного вида охлаждаемые проводки, обеспечивающие отвод тепла с задней стороны листа «поверхность».

Та или иная совокупность перечисленных устройств позволяет формировать требуемое распределение температуры на элементах. Например, устройство, содержащее «концентратор», «деконцентратор» и водоохлаждаемую проводку позволило обеспечить заданное температурное поле свариваемых в тавр листовых заготовок и получить высокое качество тавровых профилей ответственного назначения с толщиной элементов 1-2 мм, в том числе из коррозионностойких и жаропрочных материалов, что считалось ранее недостижимым как для высокочастотной, так и для других традиционных методов сварки.

3. Осадка свариваемых элементов

Как известно, высокочастотная сварка относится к так называемым РТ - процессам сварки (по классификации [4]) т.е. сварное соединение образуется в результате воздействия температуры (Т) и давления (Р). Оба эти параметра являются определяющими, и недостаточное или избыточное давление, как и недостаточная температура нагрева, приводят к дефектам сварки.

Вопрос передачи требуемого давления осадки к очагу сварки часто представляет серьезную задачу (особенно в случаях тонкостенных элементов). В зависимости от угла (траектории) схождения свариваемых элементов, величина усилия, которое нужно приложить к кромке привариваемого «ребра», может достигать значений от единиц (например, при спиральном оребрении труб малых диаметров) до сотен килограмм, например, при производстве оребренных панелей. Такой разброс значений объясняется разной кривизной «поверхности» и, соответственно, разной длиной зоны, на которой нужно обеспечить требуемую величину удельного давления (длина зоны деформации).

В соответствии с этим, при проектировании сварочных устройств следует иметь в виду, что при малой толщине кромки «ребра» и большой длине зоны деформации кромка в процессе сварки может терять устойчивость и деформироваться.

Для уменьшения величины контактных напряжений применяют ролики осадки большого радиуса, разрезные ролики, промежуточные бандажи и скользящие проводки. В случаях, когда это возможно, следует стремиться к уменьшению радиуса кривизны «поверхности».

4. Подвод тока высокой частоты к свариваемым элементам

Еще одной общей задачей, которая встает при реализации процессов сварки в тавр, является разработка конструкции устройств для подвода сварочного тока. При высокочастотной сварке труб сварочный ток индуцируется в теле трубы и далее подводится к кромкам с помощью простой конструкции - охватывающего индуктора. При сварке в тавр нет замкнутого контура, в котором можно было бы индуцировать ток бесконтактным способом. Сварочный ток подводится в этих случаях с помощью скользящих контактов.

Устройства для подвода сварочного тока контактным способом, принято называть «кондукторами». Кондуктор, обычно, включает следующие элементы:

  • неподвижные токоподводы, подключенные к источнику питания; подвижные токоподводы, связанные с неподвижными токопроводящими шарнирами;
  • контакты, скользящие по поверхностям свариваемых элементов, расположенные на подвижных токопод- водах;
  • концентраторы тока (одной из перечисленных выше конструкций);
  • систему подпружинивания, исключающую отрыв контактов от поверхностей заготовки.

Учитывая, что в конструкцию кондуктора входят не только токопередающие шины и контакты, но и элементы, регулирующие распределение тока на «ребре» и «поверхности», их взаимное расположение не должно противоречить их функциям. Только при оптимальном расположении этих элементов в общей конструкции кондуктора можно добиться не только надежной токопере- дачи, полного согласования нагрузки с источником питания, но требуемого распределения тока на свариваемых поверхностях.

Таким образом, конструкция сварочного кондуктора определяет не только качество сварных соединений, энергетические характеристики и производительность процесса, но и саму возможность реализации процесса сварки.

В данной части публикации рассмотрены наиболее общие вопросы возникающие при сварке в тавр. Между тем, каждый процесс имеет свои особенности. В следующих публикациях журнала будут рассмотрены вопросы, связанные с конкретными разработками.

(Данная статья опубликована в журнале «Индукционный нагрев» № 6, декабрь, 2008 г.)

В.Е. Злотин, к.т.н.

Список статей





Наше оборудование используют: