Законы и явления, лежащие в основе процесса высокочастотной сварки

Сварка труб токами высокой (радиотехнической) частоты

Сварку токами высокой частоты (ТВЧ) до 500 кГц применяют для производства труб диаметром 6–529 мм со стенкой толщиной 0,5– 10 мм.

Основные преимущества этого способа:

• возможность значительного увеличения скорости сварки труб (до 120 м/мин) из углеродистых и легированных сталей, цветных металлов;
• получение труб с качественным швом из горячекатаной нетравленой ленты, значительное уменьшение расхода электроэнергии на тонну готовых труб;
• осуществление сварки труб из различных металлов на одном сварочном оборудовании.

Это сделало целесообразным перевод большого числа действующих трубоэлектросварочных станов на сварку токами высокой частоты. Большинство из вновь введенных в эксплуатацию трубосварочных установок имеет высокочастотное сварочное оборудование.

Применение тока частотой 450–500 кГц для сварки труб основано на том, что ток при этой частоте идет по пути не наименьшего омического сопротивления, а наименьшего индуктивного сопротивления. Для увеличения индуктивности цепи периметра заготовки с целью концентрации тока в кромках заготовки внутрь заготовки вводят ферромагнитный (ферритовый) сердечник.

При радиочастотной сварке труб электрический ток, проходящий по кромкам трубной заготовки, благодаря эффекту близости и поверхностному эффекту концентрируется непосредственно на соединяемых поверхностях. С увеличением частоты тока эффект близости и поверхностный эффект усиливаются, вследствие чего на кромках трубной заготовки достигается максимальная концентрация тока. Сварка труб токами радиотехнической частоты характеризуется высокой степенью концентрации энергии при нагреве металла, который происходит за десятые или даже сотые доли секунды.

Ток высокой частоты подводится к кромкам трубной заготовки двумя способами: контактным и индукционным. На рис. 1 показаны схемы с контактным (а) и индукционным (б) подводом тока высокой частоты.

Рис. 1. Схема подвода тока высокой частоты к кромкам трубной заготовки: а — контактный; б — индукционный: 1 — сваренная труба; 2 — сформованная заготовка; 3 — сварочные валки; 4 — индуктор; 5 — скользящий контакт; 6 — место сварки

При высокочастотной сварке с контактным способом подвода ТВЧ, протекая по пути, параллельному кромкам трубной заготовки, разогревает их до температуры сварки. Шовосжимающие валки сдавливают и соединяют (сваривают) кромки между собой в пластическом состоянии. Однако при сварке труб диаметром менее 20–25 мм меньшее сопротивление может быть на пути тока по периметру трубы, а не вдоль кромок. В этом случае для обеспечения прохождения тока вдоль кромок сварной заготовки внутрь последней в зону сварки помещают магнитный сердечник (ферритный стержень), увеличивающий индуктивное сопротивление по периметру трубы.

При индукционном способе передачи энергии сварку заготовки осуществляют кольцевым или щелевым индуктором. Индуцируемый в заготовке ток, проходя по периметру, достигает максимальной концентрации на свариваемых кромках. Для усиления эффекта нагрева внутрь трубы обычно вводят магнитный сердечник, набранный из ферритных колец. Выбор частоты тока для сварки зависит от толщины стенки труб, качества подготовки кромок и др. Например, для станов ТЭСА 10-76 оптимальна частота 440 кГц, с увеличением толщины стенки трубы частоту сварочного тока снижают.

Передача энергии к кромкам свариваемой заготовки через скользящие контакты — более эффективный способ по сравнению с индукционным для труб среднего и большого диаметра. При близких значениях скоростей сварки потребляемая мощность при индукционном способе подвода энергии в два раза выше, чем при контактном. С ростом диаметра и толщины стенки свариваемых труб необходимая для индукционной сварки мощность еще более возрастает (примерно на 40–50 %), при этом влияние изменения толщины стенки наиболее существенно. Для труб диаметром больше, чем 200 мм, индукционный способ сварки обычно не применяют из-за значительного снижения КПД.

Нагрев кромок трубной заготовки ТВЧ позволяет осуществлять сварку как с оплавлением, так и без оплавления кромок; при этом известны три режима нагрева кромок:

1. температура кромок свариваемой заготовки ниже температуры плавления металла; давление на кромки в сварочных валках должно быть достаточным для того, чтобы вызвать значительную деформацию кромок, разрушение и удаление оксидной пленки из сварного шва;
2. температура кромок свариваемой заготовки в точке их схождения достигает температуры плавления металла; при обжатии кромок в шовсжимающих валках жидкий металл с оксидами удаляется (выдавливается);
3. температура кромок до точки их схождения достигает температуры плавления металла, а на стыке кромки дополнительно подогреваются; в дальнейшем при схождении кромок происходит интенсивный выброс оплавленного металла с разрушением оксидов и удалением их из зоны шва.

Выбор того или иного режима ведения сварочного процесса зависит от свойств металла трубы, качества поверхности заготовки и требований, предъявляемых к внутреннему грату. Если на поверхности металла имеются плотные тугоплавкие оксиды, например у нержавеющих сталей, то для их удаления из зоны шва наиболее эффективен третий режим сварки.

Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются при всех режимах. Однако при первом режиме давление на свариваемые кромки должно быть больше, чем при сварке с расплавлением, что вызывает образование ровного, но значительного по величине внутреннего грата. При толщине стенки трубы 1,5–2,0 мм высота грата достигает 0,8–1,0 мм. Поэтому целесообразно вести процесс с расплавлением в точке схождения кромок.

Давление, создаваемое сварочными валками, в этом случае значительно ниже, а величина грата не превышает 0,25–0,3 мм. Качество сварного соединения зависит от скорости сварки, с ее ростом сокращается время нагрева и ширина зоны нагрева кромок, а также период интенсивного окисления металла, что ведет к повышению качества сварки и уменьшению внутреннего грата.

Изменение угла схождения кромок (расстояния между ними) существенно влияет на электрические параметры сварки. С уменьшением угла схождения кромок и сокращением расстояния между ними интенсивность нагрева возрастает, что позволяет увеличить скорость сварки. На большинстве установок подвод тока к кромкам осуществляется обычно с помощью вращающихся дисков, стойкость которых значительно выше, чем скользящих.

Один из основных недостатков труб, изготавливаемых сваркой ТВЧ, — относительно большой внутренний грат (до 60 % толщины стенки). Кроме того, при производстве труб малого диаметра практически невозможна установка магнитного сердечника для увеличения индуктивного сопротивления по периметру трубы.

Принцип работы

Соединяемые заготовки изделия установлены под небольшим углом с образованием щели между соединяемыми кромками. Ток высокой частоты к кромкам подводится одним из способов – индуктором или через скользящие контакты и проходит от одной кромки к другой через зону их схождения. Высокая концентрация энергии в этой зоне достигается в результате действия проявлений поверхностного эффекта и близости.

При соприкосновении кромок в рабочей зоне происходит интенсивный нагрев металла и его расплавление. В результате сдавливания обжимными роликами металл осаживается, образуется прочное соединение.

Процесс высокочастотной сварки труб

Индукционная сварка труб

Индукционную сварку труб применяют для производства водогазопроводных и конструкционных труб диаметром от 21,5 до 219 мм.

Принципиальная схема индукционной сварки труб приведена на рис. 2. Кромки трубной заготовки, сформованной из рулонной ленты, движутся под индуктором, постепенно разогреваются и при температуре сварки сдавливаются шовосжимающими валками. Для нагрева применяют плоский индуктор с магнитопроводом.

Магнитный поток, создаваемый током индуктора, пересекает трубную заготовку перпендикулярно ее поверхности. Индуктируемый ток концентрируется под индуктором, течет вдоль кромок, нагревая их до температуры сварки. Подвод энергии к трубной заготовке осуществляется бесконтактным способом. Это позволяет изготавливать трубы из горячекатаной ленты без специальной обработки кромок.

Рис. 2. Принципиальная схема индукционной сварки труб: 1 — сформованная заготовка; 2 — линейный индуктор с магнитопроводами; 3 — сварочные валки

В зависимости от толщины стенки и производительности стана нагрев кромок трубной заготовки осуществляют одним или двумя индукторами. Частота сварочного тока определяется в зависимости от применяемого материала заготовки и толщины стенки и должна обеспечить проникновение тока на всю толщину кромки трубной заготовки.

Одним из важнейших параметров процесса индукционной сварки труб, влияющим на формирование шва и его структуру, является температура нагрева кромок: с повышением температуры уменьшается требуемое давление осадки.

Исследованиями установлено, что при температуре 1380–1420 °C окислы железа на кромках трубной заготовки находятся в жидком состоянии и при осадке легко выходят за пределы основного сечения свариваемых кромок. Большой градиент температур между нагретым и холодным участками трубной заготовки создает условия для преимущественной пластической деформации нагретых кромок непосредственно в стыке и околостыковой зоне, что обеспечивает получение качественного сварного соединения. Давление при этом должно быть в пределах от 34,3 до 88,0 МПа, а величина осадки — 0,7–1,3 от толщины стенки свариваемых труб.

Нагрев кромок трубной заготовки при индукционной сварке осуществляется на сравнительно большом расстоянии. Расстояние от последней клети с разрезной шайбой формовочного стана до сварочного калибра достигает 3 м, вследствие чего станы чувствительны к настройке и качеству штрипса. Это часто приводит к изменению температуры и ее распределения на кромках по длине штрипса во время сварки, что в сильной мере влияет на качество шва.

Увеличение температуры нагрева кромок снижает сопротивление осадки кромок трубной заготовки, что уменьшает давление на кромки и вызывает снижение прочности шва.

Снижение температуры нагрева увеличивает давление на кромки, что способствует хорошему сжатию кромок, однако низкая температура не обеспечивает должной свариваемости из-за присутствия на кромках неоплавленных окислов.

Регулировка усилия осадки кромок шовосжимающими валками во время работы стана снижает стабильность качества сварного шва и усложняет работу сварщика, поэтому необходимо вести нагрев кромок с неизменной температурой, что возможно благодаря установке на станах системы автоматического регулирования температуры.

Для получения качественной сварки достаточно нагреть до сварочной температуры каждую кромку трубной заготовки на ширину 0,5– 1,3 от толщины стенки. Зона нагрева зависит от ширины индуктирующего провода индуктора и времени нагрева. Зазор между кромками под индуктором должен быть минимальным. Наилучшие условия нагрева обеспечиваются при плотно сжатых кромках, в этом случае объемы нагретого металла на каждой из кромок максимальны и наиболее высокая температура будет непосредственно на них.

При индукционной сварке всех размеров труб из малоуглеродистых сталей качественный шов может быть получен при следующем режиме:

• температура нагрева кромок трубной заготовки 1380–1450 °C;
• величина осадки кромок 0,5–1,3 от толщины стенки трубы;
• давление осадки 39–88 МПа.

Большое влияние на величину мощности, потребляемой сварочным устройством, оказывает величина зазора между индуктором и кромками трубной заготовки. Для сокращения расхода мощности сварочного устройства нужно сделать этот зазор как можно меньше.

Преимущества способа индукционной сварки:

• использование горячекатаного штрипса без предварительной очистки от окалины и специальной обработки торцов кромок;
• изготовление тонкостенных труб и большая скорость сварки (до 90 м/мин);
• отсутствие непосредственного контакта токоподводящих электродов с трубой.

Недостатки способа индукционной сварки:

• невозможность сварки тонкостенных труб с толщиной стенки меньше 1,5 мм (это связано с проблемой обеспечения устойчивости нагретой зоны кромок, для чего необходимо создать индуктор с магнитопроводом шириной менее 10 мм);
• зависимость стабильности процесса сварки от колебаний зазора между трубой и индуктором, что предъявляет повышенные требования к точности размеров сформованной заготовки;
• возможность расслоения металла в области кромок из-за наличия примесей в виде оксидов и сульфидов.

Механизм процесса высокочастотной сварки

Исходя из современных представлений о сварке металлов, процессы высокочастотной сварки можно разделить на три группы.

1. Сварка давлением с оплавлением. Осуществляется при пред­варительном нагреве и местном расплавлении свариваемых по­верхностей. Расплавленный металл удаляется из зоны соедине­ния при осадке; сварное соединение образуется между поверх­ностями, находящимися в твердом состоянии. Скорость нагрева достигает 150-103 °С/с; осадка — 0,15—1,5 мм; скорость осадки — 2000 мм/с.

2. Сварка давлением без оплавления. Осуществляется с пред­варительным нагревом свариваемых поверхностей до температуры ниже точки плавления свариваемого металла. Скорость нагрева не превышает 400 °С/с; осадка — 2,5—6,0 мм; скорость осадки — 20 мм/с.

3. Сварка плавлением без давления. Осуществляется при нагреве свариваемых элементов до оплавления. Ванна расплав­ленного металла застывает, образуя сварной шов без приложения давления. Скорость нагрева доходит до 8000 °С/с.

Сварка давлением с оплавлением. Этот процесс наиболее широко распространен при производстве сварных изделий и полуфабрика­тов с непрерывным швом из черных и цветных металлов. Схема свариваемых элементов представлена на рис. 7 и 8. Свариваемые элементы, показанные на рис. 8, а, имеют одинаковые геометри­ческие размеры и материал и расположены симметрично относи­тельно вертикальной плоскости. При симметричном подводе тока к свариваемым элементам обеспечивается полная идентичность нагрева. Такую схему будем называть симметричной. Когда сва­риваемые элементы имеют неодинаковую геометрию (рис. 8, б), даже при симметричном подводе тока к элементам плотность тока на них неодинакова. Различны и условия теплоотвода. Обес­печить одинаковый нагрев обоих элементов без принятия специаль­ных мер невозможно. Такую схему будем называть несимметрич­ной. При сварке элементов с различными теплофизическими свой­ствами схема, приведенная на

несим-

В рассматриваемых схемах оба элемента сходятся под углом а, на некотором расстоянии от места схождения к элементам подается ток с помощью контактной или индукционной систем, кромки разогреваются и оплавляются, в месте их схождения происходит осадка. Нагрев и деформация свариваемых элементов происходят последовательно. Для осуществления сварки необходимы физи­ческий контакт между поверхностями, создание на них активных центров и предупреждение возможности разрушения образовав­шихся узлов схватывания после снятия давления осадки [5]. Нагрев активно влияет на все стадии процесса, и поэтому целе­сообразно рассмотреть его подробно.

Расстояние от места токоподвода до места схождения кромок обычно лежит в пределах от 25 до 300 мм. На этом отрезке осу­ществляется нагрев свариваемых элементов до заданной темпе­ратуры. Возможны три варианта нагрева.

1. Участки свариваемых элементов до места схождения нагре­ваются до температуры ниже Тпл, а вследствие электромагнитных явлений, описанных в гл. I, наибольшая концентрация тока дости­гается в месте схождения свариваемых элементов, где они оплав­ляются. Температура в этом месте может достигать (1,1-ь 1,2) Тпл.

2. Участки свариваемых элементов оплавляются до места схождения. Воздействием механических сил электромагнитного ноля расплавленный металл удаляется с поверхности нагревае­мых элементов. На расстоянии от места выброса расплавленного металла до места схождения элементов происходит дальнейший пх нагрев, а в месте перехода с одного элемента на другой — повторное оплавление. Как и в первом варианте, температура в месте перехода может достигать (1,1ч-1,2) Тпл.

3. Свариваемые элементы нагреваются на всем протяжении ниже Тпл, включая и место схождения.

В рассматриваемом процессе нагрев снижает сопротивление пластической деформации, повышает пластичность металла и облегчает удаление окислов со свариваемых поверхностей. Сопро­тивление пластической деформа-

ции растет с увеличением ее скорости при всех температурах и зависит от ее абсолютной величины. При определенных усло­виях это оказывает существенное влияние на усилия осадки.

Как было показано выше, при высоких градиентах температур­ного поля нагрев носит чисто поверхностный характер, однако он осуществляется за счет пропускания тока по свариваемым элементам. Плотность тока равномерна по сечению, а глубина прогрева регулируется частотой тока источника питания, расстоя­нием между свариваемыми элементами (эффект близости) и време­нем нагрева. В этом отношении условия высокочастотного нагрева значительно отличаются от условий нагрева при стыковой сварке оплавлением, которая по существующей классификации отно­сится к виду сварки давлением с оплавлением [51. При стыковой сварке оплавлением нагреваются свариваемые поверхности за счет тепловыделения в контактных перемычках (85—90% тепла), в результате чего получается неравномерный нагрев свариваемых поверхностей. Выравнивание температуры происходит во времени при росте количества перемычек, пока свариваемые поверхности не покроются слоем расплавленного металла (рис. 9).

Весьма существенную роль в рассматриваемых схемах нагрева играет удаление со свариваемых поверхностей окислов, образовав­ шихся за время, предшествующее сварке (при хранении, транс­портировке), и появляющихся в ходе нагрева. Все металлы за исключением золота на воздухе окисляются, создавая на поверх­ности тонкие окисные пленки. Толщина пленки зависит от вре­мени окисления. Как видно из рис. 10, толщина окисленного слоя при комнатной температуре через несколько минут достигает определенной величины и в дальнейшем ее рост практически прекращается. Более сложный характер имеет образование окис — ных пленок с ростом температуры. Для меди, например, скорость окисления при 1000° С на четыре порядка выше, чем при 600° С. Известны случаи, когда скорость окисления снижается с ростом температуры, например у кадмия, ниобия [15].

Иногда образуются многослойные пленки. При этом на по­верхности металла появляется слой окисла, богатого металлом [5, 15]. Например, окисление железа при температуре выше 600° С сопровождается образованием трехслойного окисла FeO- Fe304-Fe203. Соотношение окислов (в массовых долях) при Т = = 700-ъ900°С составляет: 0,66—1,0% Fe203, 4,1—5,0% Fe304 и около 95% FeO.

Еще более сложную картину представляет образование с ро­стом температуры окисных пленок на сплавах. Так, сплав, со­стоящий из 23% Сг, 7,5% А1 и 69,5% Fe, после окисления на воздухе при Т = 1200° С имел окисную пленку, состоящую из 94,5% А1203, 3,4% Сг203 и 2% Fe203. На чисто хромистых ста­лях (20% Сг) при нагреве в слабо окислительной атмосфере окис­ная пленка состояла из 80% Сг203. С точки зрения возможности разрушения окисных пленок важно иметь представление об их теплофизических и механических свойствах. В табл. 11 приведены свойства металлов и окислов.

Представим себе механизм разрушения окисных пленок при рассматриваемых вариантах нагрева. В первом варианте, когда оплавление происходит в месте схождения свариваемых элементов при достижении температуры, равной (1,1-і-1,2) Тпл, невозможно расплавление окислов. Исключением являются FeO и Fe203. Можно представить, что тонкие пленки окислов быстро разогре­ваются за счет теплопроводности от сравнительно большого объема контактируемого металла (стартовый нагрев). Далее электри­ческое сопротивление пленок окислов быстро падает и они начи­нают разогреваться прямым пропусканием тока. В таком случае можно ожидать расплавления пленок окислов, например Fe304, имеющих большую температуру плавления, нежели основной металл. Окислы, имеющие высокую температуру плавления, лишь подогреваются, но не расплавляются. Изучением этого явления никто не занимался, и поэтому сказанное следует рас­сматривать как гипотезу.

При втором варианте нагрева, когда оплавление свариваемых элементов происходит до места их схождения и расплавленный металл удаляется со свариваемых поверхностей механическими

электромагнитного ноля, вероятно разрушение окисных пленок при выбросе металла. В результате повторного нагрева участков свариваемых элементов до места схождения они вновь окисляются, но из-за малого времени подогрева (не более 0,01 с) толщина вновь образовавшейся окисной пленки мала и она может быть разрушена или удалена вместе с жидким металлом в про­цессе осадки.

При третьем варианте нагрева, когда свариваемые поверх­ности на всем протяжении, включая место схождения, нагре­ваются ниже 7’Г1Л, очевидно нельзя ожидать разрушения окисных пле­нок. Исключение может состав­лять только FeO. Из сказанного следует, что наиболее универ­сальным является второй вариант нагрева, так как при нем обе­спечивается разогрев свариваемых элементов до необходимой темпе­ратуры и очистка их от окислов, в том числе тугоплавких. Первый вариант нагрева целесообразно применять при сварке малоуг­леродистых и малолегированных сталей, на которых окисные плен­ки состоят из Fe0-Fe203-Fe304. Третий вариант нагрева приме­няется редко.

Вслед за подготовительной фа­зой’образования сварного соеди­нения’—’нагревом происходит осадка и формирование сварного шва. Для рассмотрения первого основного параметра осадки — скорости (п0с) обратимся к схе­ме, изображенной на рис. 11. На схеме показана полная длина контакта свариваемых элемен­тов /к, состоящая из зон осадки 10с, редуцирования /р (в случае сварки прямошовных труб и оболочек) и термомеханического упрочнения. Установлено, что при сварке наиболее распростра­ненных изделий и материалов полная длина контакта 1К в 1,5— 4 раза превышает /0с, величина которой колеблется в пределах

1,5— 2,5 мм [20]. Эта зона увеличивается с ростом толщины свариваемых элементов и увеличением абсолютной величины осадки Аос. При наиболее распространенных скоростях сварки (0,5—2 м/с) скорость осадки находится в пределах 20—2000 мм/с. Для получения качественного сварного соединения необходимо, чтобы весь оплавленный металл, имеющийся в месте схождения свариваемых элементов, был удален при осадке. Этого можно дибиться при условии, что скорость осадки будет достаточной и нпгиллнленный металл не потеряет свойства жидкотекуччести. Интервал времени At(), достаточный для охлаждения металла от Н’мпературы 7 (в месте схождения элементов) до температуры інмери жидкотекучести Тг, при стыковой сварке с непрерывным оплавлением можно определить по данным работы [51. При і пирке алюминиевого сплава

Д *„ = бру [с (7 — Т2) + ш01/ , (24)

і де бр — толщина жидкого металла в месте схождения сваривае­мых элементов; у, с и т0 — плотность, теплоемкость и скрытая геолога плавления свариваемого металла; dTIdx — градиент тем­пературы на единицу длины в поперечном сечении свариваемых моментов.

Очевидно, для гарантированного удаления при осадке жидкого металла, а следовательно, и окислов нужно, чтобы время осадки Л/ было меньше At0 (а оно тем меньше, чем меньше бр и Тг—Т2 и больше dTIdx). Примем для расчета бр = 0,14 мм, т. е. равную глубине проникновения тока в алюминий при Т = 600° С и f = 440 кГц, Тх = 1,1 Тпл = 700° С. Определим Д^0, исходя из интервала кристаллизации сплавов, который может быть разделен на две части:

1) интервал, где выросшие дендриты твердого раствора разде­лены сплошной прослойкой жидкой фазы (жидко-твердое состоя­ние);

2) интервал (ниже температурной границы жидко-твердого состояния), где происходит частичное срастание дендритов и образование из них жесткого скелета с дальнейшим затвердева­нием всей жидкой фазы. Сплав при температуре выше температуры образования кристаллического каркаса, находящийся в жидко­твердом состоянии, обладает повышенной жидкотекучестью. Сле­довательно, можно принять Т2 = Ткр за температуру, при ко­торой происходит переход от жидко-твердого в твердо-жидкое состояние. Эти интервалы температур для некоторых сплавов приведены в табл. 12.

Градиент dTIdx может быть определен при расчете температур­ного поля в зоне охлаждения шва, т. е. на участке от места схож­дения свариваемых элементов и далее при следующих допущениях [20]: 1) источник тепла постоянный и действует в течение вре­мени нагрева; 2) принят экспоненциальный закон распределения плотностей источников тепла; 3) теплофизические характеристики сплава постоянны во времени; 4) теплоотдача с поверхности сва­риваемых кромок за счет излучения и конвекции пренебрежимо мала.

В табл. 13 приведены результаты расчета градиента dTIdx и интервала At0 при различных значениях времени нагрева сва­риваемых элементов /н.

Используя полученные данные, определяем скорость осадки: voc > loz! kt0 = 100-ь500 мм/с. Другими словами, нижние пре­делы скоростей осадки, применяемые при высокочастотной сварке с оплавлением, могут быть недостаточны при сварке металлов и сплавов, температура плавления окислов которых выше Тпл, и для удаления их в процессе осадки нужно значительно повы­шать скорость сварки. Таким образом, имеется минимальная критическая скорость сварки осв-,,,,, ниже которой нельзя полу­чить качественное сварное соединение. Значения ис„.кР для раз­личных практических случаев приведены в табл. 34 и 36 (гл. IV).

При расчете Дt0 по формуле (24) для сплава Діб было при­нято, что 6р равна глубине проникновения в алюминий при 600° С. Примем эти же допущения и при расчете dTldx. Предпо­ложим теперь, что мы взяли источник питания частотой не 440 кГц, как это сделано в расчете, а 8 кГц. Как следует из формулы (8), глубина проникновения при этом должна увеличиваться в 7,5 раз, соответственно уменьшится dTldx, и в конечном итоге существенно увеличится Д/0. Следовательно, применение частоты звукового диапазона или во всяком случае понижение частоты источника питания должно ощутимо расширить возможности способа. Однако при сварке изделий из ферромагнитного материала толщина оплавленного на свариваемых поверхностях слоя 6Р зависит не только от частоты тока, но в значительной степени от времени нагрева и теплопроводности материала. При малых временах tH при f — 440 кГц и/ =8 кГц 6ротличаются незначительно. Ана­логично при этих частотах будут близки dTldx.

На основании сказанного можно сделать второй важный вы­вод: скорость осадки и критическая скорость при высокочастотной сварке с оплавлением слабо зависят от частоты тока источника питания, т. е. сварка может быть осуществлена в широком диапа­зоне частот. При сварке на частотах радиодиапазона величины &св. кр и Д t0 имеют более экстремальный характер, чем при сварке

зо

ini частотах звукового диапазона. Как будет показано в гл. III, но всех устройствах для высокочастотной сварки предусмотрено плавное бесконтактное регулирование режима нагрева и оплавле­нии свариваемых элементов. Регулируя величину оплавления і варнваемых элементов, одновременно увеличивают или умень­шают бр и меняют градиент dTldx.

Следует обратить внимание на картину распределения тока нрп осадке свариваемых элементов. Так как измерение тока в реаль­ных условиях представляет значительные технические трудности, но 1ШИИТВЧ проводились измерения тока на моделях.[2] В каче­стве модели использовалась пластина из немагнитной стали, имеющая продольную щель с параллельными кромками (а = 0). Толщина пластины была 6 мм, длина нагреваемых кромок — 100 мм.

Пропуская по кромкам пластины ток высокой частоты (440 кГц), получают замыкание тока на участке, находящемся за местом схождения. Этот процесс аналогичен процессу замыкания сва­рочного тока через участок, нагретый выше температуры магнит­ных превращений и находящийся в зоне осадки. Контактным сопро­тивлением между кромками пренебрегали. Такая модель позво­ляет непосредственно измерять величину токов, замыкающихся через тело пластины. Для этого на участке, по которому должен замыкаться ток, сделаны узкие прямоугольные отверстия с шагом 10 мм. Через эти отверстия вокруг образовавшихся «мостиков» продевается поясок Роговского, с помощью которого определяют ток. Наличие отверстий не изменяет характера распределения тока /кр. Измеряя ток J последовательно в каждом «мостике», получают кривую распределения плотности тока вдоль сварного шва (рис. 12).

Из графика видно, что на участке пластины, находящемся между местом схождения кромок и осью сварочных валков, рас­пределение тока крайне неравномерно, причем от 10 до 15% полного тока в свариваемых кромках проходит за местом схожде­ния. Картина моделировалась для симметричной системы. Ана­логичная картина распределения тока получена в работе [341. Для несимметричной системы следует ожидать увеличения про­цента полного тока за местом схождения кромок по сравнению с симметричной системой.

Исходя из картины распределения тока, можно утверждать, что при высокочастотной сварке с оплавлением осадка происходит под током. Следовательно, условия формирования сварного соеди­нения и удаление расплавленного металла из зоны шва еще более облегчаются и улучшаются. Осадка под током благоприятствует процессам рекристаллизации и образования общих зерен, что повышает пластичность сварного соединения [51. Это хорошо видно на микроструктуре сварного соединения из малоуглероди­ стой стали, приведенной на рис. 13. Ток при осадке достаточен для практически полной перекристаллизации зоны шва. Месго сварки выделяется только гратом. Микроструктуры шва, пере­ходной зоны и основного металла идентичны. Стандартные методы испытания не выявили каких-либо различий в пластич­ности сварного шва и исходного металла.

Рассмотрим второй ос­новной параметр — осад­ку Лос. Для симметричной системы она определяется по методу, приведенному в работе [20],

Лос = {Fn + Ftl)/2d, (25)

где FB и Fu — площади внутреннего и наружного гратов.

На рис. 14 показана схема осадки. Измерения величин FB и FH производились при сварке с нагревом током частотой 440 кГц прямошовных труб из различных материалов с последующим изготовлением микрошлифов. Результаты измерений приведены в табл. 14.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что значения осадки малы для всех материалов, включая алюминий, его сплавы и медь. Для сравнения на рис. 15 приведена зависимость осадки Дос от толщины 2d для стальных полос при непрерывной сварке оплавлением [5]. Кривая свидетельствует о том, что при высоко­частотной сварке оплавлением осадка на порядок меньше, чем при обычной стыковой сварке оплавлением. Аналогичные данные получены и для цветных сплавов. При стыковой сварке металов

и сплавов с высокой теплопроводностью оплавление ведется с очень большой скоростью, вследствие чего образуются на свари­ваемых поверхностях глубокие кратеры [5]. Кроме того, пред­полагается, что при этом трудно получить на торцах равномерный

слой жидкого металла, и поэтому необходимо механически разру­шить твердые пленки на твердом металле. Все это ведет к большим деформациям, по существу таким же, как при сварке сопротив­лением.

Если эту гипотезу применить к рассматриваемому нами про­цессу и считать, что в результате протекания тока вдоль кромок происходит равномерный монотонный их нагрев и оплавление, то образование кратеров исключено. Это и может служить причиной малой величины Дос. Однако при высокочастотной сварке с оплав­лением возможен неравномерный нагрев свариваемых элементов вследствие возмущений. При исследованиях характера возмущений и их влияния на температурный режим нагреваемых элементов и Аос установлено, что возмущения связаны с нестабильностью

[13] энергетического режима источника питания, работы меха низмов подготовки и осадки свариваемых элементов и качества заготовки.

Наиболее типичными и существенными являются возмущения, обусловленные наличием переменной составляющей на выходе выпрямителя, питающего ламповый генератор, и связанные с этим периодические изменения активной мощности, выделяемой в сва риваемых элементах (случай сварки на частотах радиодиапазона).

На рис. 16 представлены кадры скоростной съемки процесса сварки труб из технического алюминия АД1 толщиной 1 мм при модуляции мощности с / = 150 Гц. На рис. 17 показан сварной шов, полученный в результате, оплавления и осадки при наличии этого возмущения. Отчетливо виден процесс избыточного оплавле­ния с образованием кратера и явно недостаточным оплавлением. Осадка мала для сечения, в котором образовался кратер, но уве­личить Лос нельзя, так как при этом нарушается устойчивость осаживаемых кромок.

Как и при стыковой сварке оплавлением, в рассматриваемом случае зависимости пластических и динамических свойств свар­ного соединения от осадки имеют экстремальный характер. При недостаточной осадке Дос в шве могут остаться окислы и даже строчечные непровары (рис. 18). Чрезмерная осадка приводит к искривлению волокон и, как правило, к ухудшению пластич-

in п’ in n снижению ударной вязкости (рис. 19). При сварке не — шммсгрнчных систем излишне большая осадка приводит к обра-

юианию «подрезов», что резко снижает прочностные и коррозион­ные характеристики сварного соединения.

Третий параметр, зависимый от предыдущих двух,— давле­

ние осадки, Рос. Как известно, с увеличением скорости осад­ки растет сопротивление деформированию и, как след­ствие, повышается Рос■ Это явление при высокочастот­ной сварке с оплавлением алюминиевых сплавов про­анализировано в работе [20], в которой предлагается производить оценку средней скорости деформации юср сва­риваемых кромок по формуле

®ср = (1Дос) In WJHK), (26)

где /0″с — время осадки; Я0, Як — начальная и конечная ширина зоны деформации кромок (рис. 14).

Рассчитанные по форму­ле (26) скорости деформации кромок при сварке прямо­шовных труб из алюминие­вых сплавов составляют 100—150 1/с, что превышает скорости деформации большинства процессов горячей прокатки С учетом скоростного фактора предлагается для расчета Рас при сварке алюминиевых сплавов принимать двукратное его увеличе ние. В работе [20] также приводятся экспериментальные дан ные оценки величины Рос, полученные при сварке прямошоп пых труб из сплавов алюминия для Д16 — до 25 кгс/мм2; для АМГ2 — 15,5 кгс/мм2. Средние удельные давления в зоне обра­зования соединения превышают условный предел текучести сва­риваемого металла в 1,5—2,2 раза.

Сварка давлением без оплавления. Известно, что процессы сварки давлением без оплавления при отсутствии восстановитель­ной среды могут обеспечить удовлетворительное качество соеди­нения только в узком интервале температур и при деформациях, достаточных для разрушения окисных пленок. Для малоуглеро­дистых сталей это условие соответствует интервалу 150—200° С и Лос = 1,5-j-2,0 мм, а для алюминиевых сплавов — 40—50° С и Лос = 1,2-И,4 мм.

Представим себе два металлических прутка 2, расположенных плотно встык и помещенных в магнитное поле индуктора 1

(пне. 20). Если ширина индуктирующего провода достаточно мала (І» 10 мм), то градиент температуры вдоль оси прутков достаточно

гюльшой. При этом ширина зоны нагрева и крутизна фронта Температурной кривой слабо зависят от частоты тока источника питания. Для процесса формирования шва при осадке такое риспределение температурного поля следует считать благоприят­ным, так как происходит концентрация пластической деформации и узкой зоне и образуется минимальный грат.

Как следует из п. 1, распределение температурного поля по радиусу прутка всегда резко неравномерно. Приемлемый для условий свариваемости температурный перепад может быть достиг­нут только при достаточно малых сечениях свариваемого изделия, времени нагрева, исчисляемом секундами или десятками секунд,

и низкой частоте тока источ­ника питания (рис. 21). Такие условия распределения тем­пературного поля по сечению

свариваемого прутка и условия нагрева в целом следует считать неблагоприятными для процесса сварки. Из рассмотрения схемы нагрева нетрудно сделать вывод, что с наименьшим температур­ным перепадом по сечению и по образующей может быть нагрето цилиндрическое полое тело с толщиной стенки 2d с Дк. Поэтому этот способ имеет ограниченное применение — для стыковой сваркд тонкостенных труб.

Очевидно, для достижения узкой зоны нагрева индуктор может быть только одновитковым, но в таком индукторе симметричное поле и, следовательно, симметричное распределение температуры по периметру нагреваемого изделия получить трудно. Кроме того, дополнительную неравномерность температурного поля по пери­метру вносит разностенность трубной заготовки. Это — затрудняет нагрев свариваемых труб в узком температурном интервале. Поэтому указанный способ применяется при стыковой сварке труб из малоуглеродистых сталей. Скорость нагрева не превы­шает 400 °С/с [6].

Значительные трудности связаны с разрушением и удалением окислов при осадке. Как было сказано ранее, для полного их разрушения необходимо выполнение условия Лос = 1,5-ь2,0 мм. Оно выполнимо только при больших зазорах в системе индуктор— труба, но при этом уменьшается градиент температурного поля вдоль оси трубы и требуются еще большие деформации. Делались попытки преодолеть эту трудность следующими способами.

1. Повышением температуры нагрева выше температуры пла­вления FeO (для ее расплавления). При этом хотя и удается полностью удалить расплавленные окислы из зоны сварного соединения, однако происходит рост зерна и образуется видман­штеттова структура. Кроме того, происходит частичное оплавле­ние границ зерен, а при кристаллиза­ции появляются осадочные рыхлоты.

2. Применением газовой защиты или флюсов. Удается при нагреве до Т = = 1200-ь 1250° С получить качествен­ное сварное соединение и удовлетво­рительную микроструктуру околошов — ной зоны. Защитная среда должна быть восстановительной. Жесткие пределы температурного режима сварки и необ — Рис. 22. Схема сварки плав — ходимость применения защитной среды лением ограничивают применение этого способа.

Сварка плавлением. Изделия, подлежащие сварке, плотно прилегают друг к другу отбортованными кромками 2, которые разогреваются и оплавляются с помощью индуктора 1, выпол­ненного по контуру свариваемых кромок (рис. 22). По всему периметру изделия создается ванна расплавленного металла, кри­сталлизация которой происходит без приложения давления[3].

Этот процесс применим для сварки изделий с толщиной стенки от 0,3 до 1,5 мм из малоуглеродистых сталей, сталей аустенитного класса, сплавов титана, а также комбинаций из разнородных металлов и сплавов. Частота тока источника питания выбрана 70 и 440 кГц. Скорость нагрева 250—8000 °С/с. Во всех случаях рекомендуется применение защитных сред. Возможна сварка изделий цилиндрической, овальной и прямоугольной форм с ма­ксимальной длиной сварного шва 500 мм. Наиболее целесообразно применение процесса в случаях, когда в непосредственной бли­зости от шва находятся элементы из^нетеплостойких материалов, а также для массового, автоматизированного производства одно­типных деталей.

Важное значение для рассмотренных вариантов имеют усло­вия свариваемости. Наиболее актуальны они при сварке угле­родистых и легированных сталей.

Свариваемость сталей. Как следует из сказанного, общим II характерным для процессов является ярко выраженная локаль — ппсп, нагрева в сочетании с высокими скоростями сварки. Ши­рина зоны термического влияния в области сварного соединения, как правило, колеблется в пределах 1,0—5,0 мм. Температурные і рлдиенты в зоне шва достигают 1000°С/мм, что обусловливает мощный тепловой поток от нагретых участков к холодным и, следовательно, высокие скорости охлаждения шва и околошовной зоны. Проведенные расчеты и эксперименты показывают, что при сварке малоуглеродистой стали средняя скорость охлаждения и интервале температур 1000—500° С на границе слоя, нагретого на глубину 1 мм, составляет около 1500 °С/с, на 2 мм — 400 °С/с п на 3 мм — порядка 170 °С/с.

Очевидно, для многих марок сталей, в том числе и малоугле­родистых, эти скорости будут выше критических и, как следствие этого, в зоне сварного соединения будут образовываться хрупкие структурные составляющие (мартенсит, троостит). Напомним, что мартенситное превращение происходит лишь тогда, когда сталь охлаждается со скоростью не ниже некоторой критической, ве­личина которой зависит от химического состава стали. Если ско­рость охлаждения ниже критической, происходит превращение, при котором образуется двухфазная смесь феррита с карбидом железа—игольчатый троостит или феррито-перлитная смесь. Тем­пература, при которой в процессе охлаждения начинается мартен­ситное превращение, считается мартенситной точкой, положение которой изменяется в зависимости от содержания в стали угле­рода и не зависит от скорости охлаждения.

На положение мартенситной точки существенное влияние ока­зывает содержание кремния, марганца и других растворимых в аустените примесей. У сталей обычного приготовления крити­ческая скорость значительно ниже, чем у сталей повышенной чистоты. Считается, что при охлаждении в принятых средах в ста­лях с содержанием углерода до 0,1% мартенсит вообще не может быть получен, так как критическая скорость закалки велика. При сварке давлением, когда скорости охлаждения соответствуют приведенным выше, в сталях с содержанием углерода 0,1—0,2% в околошовной зоне всегда образуются участки мартенсита или троосто-мартенсита (рис. 23, а), а в среднеуглеродистых сталях — игольчатый феррит и мартенсит (рис. 23, б). Шов — хрупкий, при этом всегда возможно образование холодных трещин непо­средственно после осадки. Поэтому сортамент свариваемых ста­лей ограничен верхним пределом содержания углерода (оно колеблется от 0,18 до 0,27% С). Если наличие хрупких состав­ляющих в сварном соединении недопустимо, проводится после­дующая нормализация (локальная или объемная), обеспечивающая распад закалочных структур на феррито-перлитную смесь.

В процессе сварки сталей с большим содержанием углерода необходимо замедлить теплоотвод из зоны шва. В табл. 15

Пр имечание. Структурные составляющие приведены по резуль­татам работ различных авторов.

приведены скорости охлаждения для сталей марок 45 и 40Х в тем­пературном интервале 500—700° С. Из таблицы видно, что в стали 45 при скорости охлаждения 4 °С/с мартенсит не обнаруживается.

Посмотрим далее, как наиболее рационально обеспечить нужную скорость охлаждения. Для исследуемого случая расчет­ным путем определены скорости охлаждения зоны сварного соеди­нения при частотах тока источника питания 440, 10 и 440 кГц с предварительным локальным подогревом свариваемых элемен­тов током частотой 10 кГц до 900° С. Из табл. 16 видно, что во всех трех вариантах скорость охлаждения зоны сварного шва

намного превышает критическую. При увеличении времени на­грева (снижении скорости сварки ДО пределов ниже Псв. кр) скорость охлаждения остается выше критической. Поэтому для сварки среднеуглеродистых сталей может быть рекомендован предварительный подогрев [4] свариваемой заготовки до темпера­тур ниже ACl.

В зависимости от марки стали, геометрии свариваемых изделий и скорости сварки расчетным путем может быть определена опти­мальная температура подогрева стали [31, 42 J. Например, при сварке прямошовных труб ма­лого диаметра из наиболее рас­пространенных марок средне­углеродистых сталей темпера­тура предварительного подо­грева должна быть 420—680° С [31 ]. Этот диапазон подтвер­ждается экспериментальными данными. На рис. 24 приве­дены микроструктуры исходной заготовки и сварного соедине­ния, полученного при сварке прямошовной трубы диаметром 89 мм с толщиной стегки 3 мм на частоте 440 кГц с предва­рительным подогревом до Т = = 630° С. При этом не только получена равновесная феррито­перлитная смесь в сварном со­единении, но и достигнуто вы­равнивание твердости по его ширине до уровня твердости исход­ной заготовки.

С учетом особенностей протекания токов высокой частоты, а также механизма процесса сварки разработаны способы пере­дачи энергии к свариваемым кромкам. Они в значительной сте­пени определяют работоспособность и надежность высокочастот­ного оборудования и расход электроэнергии, затрачиваемой для осуществления процесса сварки.

Сварка труб сопротивлением

Сварка сопротивлением применяется для производства труб диаметром от 5 до 529 мм с толщиной стенки от 0,4 до 20 мм. Материал труб — углеродистые и низколегированные стали. Для сварки сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей перлитного класса используются специальные режимы сварки и охлаждения для предотвращения закалки околошовной зоны.

Сварочный ток подводится к кромкам полосы контактным способом при помощи вращающихся электродных колец, изолированных друг от друга и соединенных с вторичной обмоткой сварочного трансформатора. Электродные кольца и шовосжимающие валки сварочной клети создают замкнутый калибр.

На рис. 3 приведена схема электросварки труб методом сопротивления. Постоянный или переменный электрический ток подводится к кромкам трубной заготовки (6) с помощью электродных колец (1), разделенных между собой изолятором (2). Кромки сформированной трубной заготовки, попадая в зазор между электродными кольцами, нагреваются. Под давлением шовосжимающих валков (3) и электродных колец, образующих замкнутый сварочный калибр, кромки трубы свариваются.

Рис. 3. Схема сварки труб сопротивлением: 1 — вращающиеся электроды; 2 — изолятор; 3 — шовосжимающие валки; 4 — валки последней формовочной клети; 5 — направляющая шайба (разрезная); 6 — труба

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 тока, достигающей десятка тысяч ампер. Сопротивление стыка кромок трубной заготовки значительно больше, чем сопротивление сплошного тела трубы, поэтому при прохождении электрического тока кромки разогреваются до более высокой температуры. Приложение давления от шовосжимающих валков и электродных колец обеспечивает сварку кромок заготовки. Чаще всего используется переменный сварочный ток частотой от 50 до 400 Гц (иногда до 700 Гц). Скорость сварки от 30 до 60 (90) м/мин.

При сварке труб методом сопротивления с использованием переменного тока 50–700 Гц неизбежно возникает периодическая неоднородность качества сварного шва в результате синусоидального изменения величины тока. Поэтому для производства труб диаметром 10–20 мм с толщиной 0,7–1 мм используют сварку постоянным током. Трубы, сваренные постоянным током, отличаются высоким качеством, имеют минимальный грат (высотой 0,15–0,25 мм).

Большое влияние на качество сварки оказывает точное совпадение стыка кромок с зазором между электродными кольцами, что определяет симметричность нагрева кромок трубной установки (рис. 3).

Преимущества способа сварки сопротивлением:

• широкий сортамент труб по толщине стенки и диаметру;
• более простое и дешевое сварочное оборудование;
• более низкие удельные производственные затраты при производстве труб повышенного диаметра.

Недостатки способа сварки сопротивлением:

• необходимость предварительной подготовки кромок полосы (очистка от заусенцев и окалины);
• большой грат (до 0,5 толщины стенки);
• износ электродных колец, приводящий к нарушению электрического контакта и стабильности процесса сварки;
• ограниченный марочный сортамент труб.

Механизм нагрева

Полярность продемонстрирована с помощью молекулы воды. Область, заштрихованная красным вокруг атома кислорода, частично заряжена более отрицательно, чем область, заштрихованная синим цветом вокруг атомов водорода.
В материалах, находящихся под воздействием высокочастотных переменных электрических полей, могут возникать четыре типа поляризации:[2]

• Электронная или электрическая поляризация — это перераспределение электронов
• Ионная поляризация — это перераспределение заряженных частиц — катионов и анионов.
• Поляризация Максвелла-Вагнера — это накопление заряда на границах раздела неоднородных материалов.
• Дипольная поляризация — это перестройка постоянных диполей.

Полярность поливинилхлорида (ПВХ) с накоплением концентрации отрицательного заряда в красном цвете (вокруг более электроотрицательных атомов хлора) и сниженной концентрации отрицательного заряда в синем (окружающая менее электроотрицательную сторону водорода молекулы).
Дипольная поляризация — это явление, которое отвечает за механизм нагрева при радиочастотной сварке пластмасс. диэлектрический нагрев. Когда электрическое поле приложено к молекуле с асимметричным распределением заряда, или диполь, электрические силы заставляют молекулу выравниваться с электрическим полем.[1] Когда применяется переменное электрическое поле, молекула постоянно меняет свое выравнивание, что приводит к вращению молекулы. Этот процесс не является мгновенным, поэтому, если частота достаточно высока, диполь не сможет вращаться достаточно быстро, чтобы оставаться выровненным с электрическим полем, что приводит к случайному движению, поскольку молекула пытается следовать за электрическим полем. Это движение вызывает межмолекулярное трение, которое приводит к выделению тепла.[3] Количество тепла, генерируемого трением в материале, зависит от напряженности поля, частоты, дипольной силы и свободного объема в материале.[1] Поскольку основной движущей силой диэлектрического нагрева является взаимодействие диполя молекулы с приложенным электрическим полем, высокочастотная сварка может проводиться только на дипольных молекулах. Типичный диапазон частот для диэлектрического нагрева составляет 10–100 МГц, но обычно высокочастотная сварка проводится около 27 МГц.[3] При слишком низкой частоте диполи могут выравниваться с электрическим полем и оставаться в фазе с электрическим током, сводя к минимуму возникающее межмолекулярное трение. Это также можно описать как минимальные потери мощности от электрического поля, поскольку молекулы будут оставаться в фазе и поглощать минимальную энергию. Когда частоты становятся достаточно высокими, потери мощности начинают увеличиваться, так как диполи не могут выровняться со скоростью обратного электрического поля. Диполи становятся не в фазе, поглощая энергию, и это происходит при нагревании. На определенной частоте достигается максимум потерь мощности, при котором более высокие частоты уменьшают потери мощности и вызывают меньший нагрев. Максимальные потери диэлектрической мощности зависят от материала.[4]

Аргоно-дуговая сварка труб

Дуговую сварку с защитой дуги инертным газом (гелием или аргоном) применяют для получения труб диаметром 4–426 мм с толщиной стенки 0,2–5,0 мм из высоколегированных сталей (коррозионно-стойких и жаропрочных), а также из ряда цветных металлов (алюминия, магния и т. д.) и их сплавов. Скорость сварки труб в зависимости от материала, размера свариваемых труб и применяемой защитной атмосферы составляет 0,5–8 м/мин.

При дуговой сварке в среде инертного газа электрическая дуга горит между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемой трубой. Для подвода тока и подачи инертного газа применяют специальное устройство. Сварку производят постоянным током прямой или обратной полярности в зависимости от металла трубы, а также переменным током. Трубы из коррозионно-стойких и хроможелезоникелевых сталей сваривают на постоянном токе прямой полярности (к электроду подключают отрицательный полюс), а трубы из алюминия, магния и их сплавов — на токе обратной полярности. В качестве источника питания применяют обычные сварочные генераторы.

Высокая теплопроводность и теплоемкость гелия способствуют созданию в зоне нагрева металла условий, при которых значительно повышаются механические свойства сваренной трубы и улучшаются условия работы вольфрамового электрода. К недостаткам применения гелия относят его высокий расход вследствие низкой плотности.

Теплопроводность и теплоемкость аргона значительно ниже, чем у гелия, а плотность выше. Теплопроводность аргона почти равна теплопроводности воздуха, а теплоемкость почти вдвое меньше, чем у воздуха. Поэтому при использовании аргона зона термического влияния намного больше, чем в случае применения гелия.

Температура электрической дуги при сварке АДС составляет 5000…8000 °C, сила тока 180…400 А, напряжение 20…60 В.

Для неплавящихся электродов применяют вольфрам марки ВТ-15, содержащий 1,5–2 % оксида тория. Диаметр электродов dэ из торированного вольфрама 1–7,5 мм (где dэ < 4 мм использовались для сварки труб малого диаметра, а dэ ≥ 4 мм — для сварки труб большого диаметра).

На рис. 4 показан один из основных узлов стана — сварочное устройство. Вольфрамовый электрод (1) зажимается в электродержателе (2), к которому подведен ток. Через керамическое сопло (3) корпуса горелки (4) подается защитный газ; корпус горелки и электродержатель охлаждаются водой. Инертный газ по трубе (5) поступает в камеру (6) над электродержателем и из нее через отверстие (7) попадает в керамическое сопло (3). Охлаждающая вода по трубке (8) подается непосредственно к электродержателю и затем выходит из горелки по трубке (9), охлаждая при этом расположенный в ней силовой кабель. Расход воды составляет 0,5 л/мин. При сварке кромки заготовки (10) сжимаются валками (11). Специальный подающий механизм регулирует установку горелки с электродом относительно свариваемых кромок.

Рис. 4. Схема аргоно-дуговой сварки труб: 1 — электрод; 2 — электродержатель; 3 — керамическое сопло; 4 — корпус горелки; 5 — труба подвода защитного газа; 6 — камера; 7 — отверстие подачи газа; 8, 9 — трубы для подвода и отвода охлаждающей воды; 10 — свариваемая труба; 11 — шовосжимающие валки

При сварке труб с защитой дуги инертным газом кромки сформованной трубной заготовки оплавляются, причем сварочная ванна образуется только от расплавления металла кромок. Струя инертного газа, отводящего значительное количество тепла, ускоряет охлаждение и кристаллизацию металла сварочной ванны. Необходимое усилие удержания кромок создается шовосжимающими валками.

Для уменьшения внутреннего грата в трубу подают защитный газ под давлением (поддув), который создает газовый подпор жидкого металла внутри трубы. Химический состав металла шва в процессе сварки обычно не изменяется. Для увеличения коррозионной стойкости труб не следует допускать попадания углерода в расплавленную ванну металла в процессе сварки [4]. Поэтому кромки трубной заготовки обезжиривают, а всю поверхность ленты очищают перед формовкой от загрязнения и масла.

С увеличением силы тока и напряжения на дуге повышается тепловая мощность, что позволяет увеличить скорость сварки. Однако увеличение скорости сварки за счет роста электрической мощности возможно только до определенного предела. Чрезмерное увеличение силы сварочного тока приводит к образованию дефектов на наружной поверхности трубы, а повышение напряжения вызывает нарушение стабильности процесса горения дуги.

Сварку в гелии проводят в специальных камерах, герметизирующих сварочный узел, с целью уменьшения расхода газа и улучшения защиты шва. Для снижения расхода дорогостоящего гелия, а также повышения скорости сварки часто применяют смесь гелия с аргоном 3:1, что позволяет увеличить скорость сварки на 30–40 % без ухудшения качества сварного шва.

Преимущества данного способа сварки:

• возможность сварки высоколегированных сталей и сплавов;
• производство труб без внутреннего грата. Недостатки способа аргоно-дуговой сварки:
• низкая производительность стана АДС вследствие малой скорости сварки;
• сложность конструкции сварочного узла (проблемы минимизации утечки защитного газа);
• литая структура шва (для повышения механических свойств целесообразно проводить последующую холодную деформацию сварной трубы);
• необходимость тщательной очистки и обезжиривания кромок заготовки.

Микроплазменная сварка труб

Плазменная и микроплазменная сварка является относительно новым способом производства тонкостенных электросварных труб. Плазма образуется за счет ионизации в электромагнитном поле подаваемого под давлением в зону сварки инертного газа, в который дополнительно введены плазмообразующие газы (азот, водород, двуокись углерода). Возможность повышения скорости сварки связана с большой тепловой мощностью, а также с легкостью управления плазменной дугой, в частности за счет ее большой чувствительности по отношению к управляющему магнитному полю.

При плазменной сварке формируется мелкая аустенитная структура сварного шва, однако его коррозионные свойства могут несколько уступать свойствам после газоэлектросварки. Установлено, что при микроплазменной сварке труб с толщиной стенки 0,2…1,0 мм высота внутреннего грата не превышает 8 % от толщины стенки трубы. Это позволяет использовать электросварные заготовки для изготовления высококачественных холоднодеформированных труб способом бухтового безоправочного волочения. Схема процесса микроплазменной сварки представлена на рис. 5.

Сварка осуществляется дугой прямого действия, горящей между вольфрамовым электродом и изделием. В начальный момент с помощью осциллятора производится зажигание дежурной дуги между электродом (1) и металлическим соплом (2), в которое подается плазмообразующий газ. Основная дуга (4) зажигается при помощи дежурной дуги между электродом и изделием (5). Защитный газ подается к месту сварки через зазор между соплом (2) и керамическим соплом (3). Устойчивое и стабильное горение микроплазмы на малых токах, менее, чем 0,1 А, обеспечивается высокой степенью сжатия столба дуги каналом сопла малого диаметра (< 1 мм).

Рис. 5. Схема процесса микроплазменной сварки: 1 — электрод; 2 — сопло металлическое; 3 — сопло керамическое; 4 — дуга прямого действия; 5 — изделие

В качестве плазмообразующего газа используют аргон, а в качестве защитного — аргон, гелий, азот, смесь аргона с водородом, аргона с гелием, аргона с азотом, азота с водородом (в зависимости от свариваемого металла).

Микроплазменная сварка имеет более широкие технологические возможности, чем сварка сжатой дугой. Сила сварочного тока оказывает более интенсивное действие на размеры шва, чем диаметр канала сопла и расход плазмообразующего газа. С уменьшением диаметра канала сопла ширина шва по сравнению с глубиной проплавления изменяется незначительно. Повышение расхода плазмообразующего газа от 0,1 до 0,3 л/мин при диаметре канала сопла 1 мм и силе тока 6 А способствует интенсивному увеличению глубины проплавления при незначительном изменении ширины шва. При дальнейшем увеличении расхода плазмообразующего газа глубина проплавления уменьшается.

За счет высокой сосредоточенности теплового потока создается малоамперная сжатая дуга, что обеспечивает с применением водорода в защитном газе получение качественных швов с минимальной зоной термического влияния [4].

Электронно-лучевая сварка труб

Этот вид сварки применяют обычно для соединения деталей из химически активных, тугоплавких и других металлов, ее можно также использовать и для сварки труб. Благодаря высокой концентрации энергии, электронный луч позволяет получать узкое и глубокое проплавление при незначительной зоне термического влияния.

Схема электронно-лучевой установки для сварки труб в вакууме приведена рис. 6.

В верхней части вакуумной камеры (1) размещена электронная пушка (2), питаемая от выпрямителя высокого напряжения (3). Электромагнитная фокусирующая линза и отклоняющая система (4) служат для фокусировки и перемещения луча. Механизм перемещения изделия (5) находится внутри вакуумной камеры. Через электрический вакуумный ввод (6) подается электропитание. В нижней части камеры расположена вакуумная система (7). Установкой управляют с пульта (8).

Предварительно сформованную трубную заготовку конечной длины (500–1000 мм), устанавливают таким образом, чтобы продольные кромки прилегали друг к другу. Затем вакуумную камеру плотно закрывают и из нее откачивают воздух. После достижения нужного разрежения начинают сварку. В процессе сварки трубная заготовка автоматически перемещается относительно электронного луча.

Рис. 6. Схема установки для сварки электронным лучом: 1 — вакуумная камера; 2 — электронная пушка; 3 — выпрямитель высокого напряжения; 4 — электромагнитная фокусирующая линза с отклоняющей системой; 5 — механизм перемещения изделия; 6 — электрический вакуумный ввод; 7 — вакуумная система; 8 — пульт управления

К недостаткам процесса сварки труб ввакууме следует отнести громоздкость и высокую стоимость оборудования, низкую производительность, ограниченную длину получаемых труб. С целью устранения этих недостатков проводят исследования по созданию камер с местным вакуумом и по использованию в качестве защитной атмосферы инертных газов.

Сварочное оборудование

Оборудование для радиочастотной сварки, как правило, состоит из: генератора высокочастотной энергии, блока управления, пресса, корпуса, электродов, а иногда и механизма перемещения.[1][2][3] Генератор ВЧ-мощности преобразует сетевую мощность в высокочастотную энергию высокого напряжения для сварки. Типичное напряжение составляет 1–1,5 кВ переменного тока при частоте 27,12 МГц.[1] Мощность, необходимая для сварки, зависит от площади сварного шва, толщины и материала.[2] Блок управления — это система, используемая для управления машиной. Блок управления отвечает за обработку информации о требуемых входных параметрах сварки, таких как сила, мощность и время нагрева, и дает команду другим компонентам машины соответствовать этим параметрам процесса. Некоторые контроллеры могут контролировать выходы и регулировать параметры для обеспечения удовлетворительного качества сварки.[1] Пресс (или привод) обеспечивает зажимное усилие пневматически или гидравлически.[2] Электроды представляют собой пару проводящих структур, которые передают электрическое поле через соединяемые элементы. Электроды контактируют с деталями и оказывают удерживающее давление до и во время сварки, а также в процессе затвердевания. Обычно верхний электрод выступает из верхней поверхности крепления, а нижний электрод представляет собой плоскую проводящую поверхность. В некоторых случаях нижний электрод может выступать над нижним приспособлением, чтобы соответствовать геометрии или лучше локализовать плавление за счет уменьшения паразитного электрического поля. Оба электрода могут быть изготовлены с функциями, позволяющими изменять качество свариваемой поверхности. Обычно их делают из латуни, меди или бронзы.[1] Радиочастотный кожух или клетка, которая окружает электроды и открытые участки, используются для защиты оператора от травм, включая радиочастотное излучение.[1] Автоматизированные машины могут быть полуавтоматическими (требующими от оператора манипулирования деталями) или полностью автоматическими (где машина отвечает за загрузку, транспортировку и манипулирование деталями).[2]

Лазерная сварка труб

Лазерная сварка применяется для труб с толщиной стенки 0,25…1,5 мм из углеродистых и коррозионно-стойких сталей.

В последнем случае она имеет следующие преимущества по сравнению со способами сварки токами высокой частоты и неплавящимся электродом:

• требуется меньшая мощность сварки;
• металл шва имеет более мелкую дендритную структуру;
• происходит менее интенсивный рост зерен металла в зоне термовлияния (рис. 7), например, по сравнению с ярковыраженной неравномерной структурой околошовной зоны при АДС-сварке (рис. предотвращается концентрация оксидов и образование «критических» фаз, например карбидов титана;
• обеспечивается более высокая прочность и пластичность металла шва;
• обеспечивается повышенная прочность электросварных труб в условиях действия коррозии и знакопеременных напряжений.

Рис. 7. Структура шва и околошовной зоны при лазерной сварке

Рис. 8. Структура шва и околошовной зоны при аргоно-дуговой сварке

Сварка осуществляется при помощи CO2 лазера мощностью 5 кВт. Схема лазерной сварки приведена на рис. 9. Зона сварного шва представлена на рис. 10.

Рис. 9. Схема лазерной сварки труб

Рис. 10. Зона сварного шва при лазерной сварке труб

Заготовкой служит холоднокатаная отожженная протравленная полоса. Оборудование ТЭСА обеспечивает качественную подготовку кромок полосы, точное позиционирование сформованной трубы относительно лазерного луча при помощи автоматизированной шовонаправляющей системы, защиту зоны сварки инертным газом, стабильное положение лазерного луча в точке сварки, постоянство скорости сварки. В результате этих мер формируется однородный шов минимальной ширины и плавная переходная область шва без его локального утонения.

В перспективе считают целесообразным заменить лазерной сваркой электродуговую сварку под слоем флюса. Это позволит уменьшить ширину сварного шва и повысить прочность сварных труб с толщиной стенки до 20 мм.

Технология лазерной сварки коррозионно-стойких труб с наружным диаметром 38…55 мм и толщиной стенки 1,5…2,5 мм разработана фирмой Hoesch (Германия).

Фирма Oppermann (Германия) использует трубосварочный агрегат с лазерной установкой мощностью 20 кВт.

Дуговая сварка под слоем флюса

Схема дуговой сварки под флюсом представлена на рис. 11.

Электрическая дуга горит под слоем флюса между свариваемыми кромками заготовки и металлическим электродом. Благодаря высокой температуре дуги (более 3500 оС), кромки расплавляются и разделка заполняется металлом электрода и основного металла. Слой расплавленного флюса защищает ванну жидкого металла от окисления. Затем флюс (шлак) затвердевает, образуя на поверхности шва шлаковую корку, которая отделяется от поверхности шва. Сварочная проволока, а вместе с ней и дуга перемещаются в направлении сварки с помощью специального механизма. Флюс засыпают на кромки стыка из бункера перед дугой.

Дуговой автоматической сваркой под флюсом производят трубы большого диаметра, предназначенные для магистральных трубопроводов газа, нефти и нефтепродуктов, а также для сооружения водопроводов, паропроводов низкого давления и др.

Рис. 11. Схема дуговой сварки под флюсом: 1 — токопровод; 2 — механизм перемещения проволоки; 3 — проволока; 4 — жидкий шлак; 5 — флюс; 6 — шлаковая корка; 7 — сварной шов; 8 — основной металл заготовки; 9 — жидкий металл в сварочной ванне; 10 — электрическая дуга