Дугоконтактная сварка трубопроводов

[Andrew]

Основы теории дугоконтактной сварки



Схема процесса дугоконтактной сварки показана на примере сварки труб. Две трубы, подлежащие сварке (1-1′), и катушки электромагнитов (2-2′) располагаются соосно. К трубам подключается сварочный источник питания (одна из свариваемых труб является катодом, другая — анодом). Катушки электромагнитов создают магнитные потоки, направленные по оси трубы навстречу друг другу. В результате, в зазоре между трубами, магнитное поле имеет радиальную составляющую. При взаимодействии тока дуги I и радиальной составляющей магнитного поля Bp создается сила Fg, приводящая дугу в движение. Эта сила, направление которой перпендикулярно направлению тока в дуге и направлению магнитного поля, заставляет дугу перемещаться по поверхности торцов со скоростью, достигающей нескольких десятков метров в секунду. При многократном обходе дуги по торцу трубы формирование шва происходит практически одновременно по всему периметру. При наблюдении вращающаяся дуга представляется сплошным кольцом из светящейся плазмы. При достижении сварочной температуры на торцах производится сдавливание (осадка) труб, аналогично тому, как это делается при контактной сварке. При движении в магнитном поле дуга оказывается под влиянием различных сил, действующих на столб дуги и его активные пятна. Эти силы можно разделить на движущие силы и силы сопротивления. Движущие силы возникают благодаря взаимодействию тока дуги с радиальной составляющей магнитного поля. Дугу можно рассматривать приближенно как проводник с током, помещенный в магнитное поле. На него действует сила Fg, определяемая законом Ампера

Fg = B1Il,
где В1 - составляющая индукции магнитного поля, перпендикулярная току;
I — ток в проводнике;
l — длина проводника.

 
В случае аксиальной дуги и радиального магнитного поля сила Fg в каждый момент времени направлена по касательной к окружности трубы и стремится перемещать дугу по торцам труб.
К силам сопротивления относятся сила аэродинамического сопротивления F1, сила трения потока увлекаемых дугой газов F2 о стенки зазора, представляющего собой узкую щель, и сила F3, противодействующая перемещению активных пятен дуги. Сила аэродинамического сопротивления зависит от скорости перемещения дуги и напряженности магнитного поля. Сила трения потока газов зависит от скорости перемещения дуги, а также от величины и геометрии зазора. Сила, противодействующая перемещению активных пятен дуги, зависит от материала электродов, их формы, состояния и температуры их поверхностей.
 

 
Для вращающейся дуги характерно наличие трех стадий горения дуги в процессе всего периода разогрева торцов изделий (рис. 2). Одной из отличительных особенностей каждой из этих стадий является характер изменения скорости вращения дуги. I стадия — разгон и вращение дуги с нарастающей скоростью, В конце периода скорость достигает максимального значения. Приложенная к дуге движущая сила превышает на этой стадии направленные ей навстречу силы сопротивления Fg>Fl + F2 + F3. В начале этого периода F1 и F2 невелики, поскольку мала скорость перемещения дуги. Наибольшей из сил сопротивления является сила Fs, которая в начальный период велика из-за неблагоприятных условий для перемещения пятен на торцах труб. В течение периода величина силы F3 существенно уменьшается (торцы труб нагреваются, микронеровности оплавляются, газы дугового промежутка ионизируются). Основными силами сопротивления становятся силы аэродинамического сопротивления и трения. Разность между движущей силой Fg и силами сопротивления (F1 + F2+F3) определяет ускорение дуги в начальный период. Дуга после возбуждения вытесняется к внутренней поверхности труб благодаря тому, что в зазоре существует значительный градиент магнитного поля. По мере нагрева торцов градиент магнитного поля снижается и дуга входит в зазор. Время установления, максимальной скорости, т. е. Длительность I стадии зависит от индукции в зазоре и величины сварочного тока. II стадия — установившееся движение дуги с максимальной скоростью-наиболее длительная. Ее длительность характеризуется временем, необходимым для появления на торцах пленки жидкого металла. На этой стадии движущая сила уравновешивается силами сопротивления. Fg=F1+F2 + F3. В течение второй стадии снижается индукция в зазоре, что приводит к уменьшению движущей силы. Однако скорость перемещения дуги остается практически постоянной, так как одновременно уменьшается сила трения F3. На рис. 3 и 4 приведены кривые изменения максимальной скорости движения дуги в зависимости от сварочного тока и радиальной индукции в зазоре, снятые при сварке труб диаметром 27 мм. Из рассмотрения кривых видно, что в этой стадии основным параметром, определяющим скорость перемещения дуги, является величина радиальной индукции в зазоре. III стадия — вращение дуги с переменной скоростью, наблюдается при нагреве кромок выше температуры плавления. Практически вся поверхность торцов свариваемых изделий покрыта пленкой жидкого металла. Приложенная к дуге движущая сила меньше сил сопротивления. Сила Fg продолжает падать, так как в связи с увеличением зазора индукция в нем уменьшается. Сила аэродинамического сопротивления и сила трения потока увлекаемых газов также уменьшаются. Сила сопротивления перемещению активных пятен изменяется нестабильно, среднее значение ее возрастает. Это связано с образованием перемычек жидкого металла, выбрасываемого в виде искр, что приводит к колебаниям скорости перемещения дуги. Соединения, выполненные дугоконтактной сваркой, имеют такую же структуру, что и полученные другими методами с приложением давления, например, контактной стыковой сваркой оплавлением. Однако имеется и ряд особенностей строения, рассмотренных на примере сварки труб из стали Ст20. В большинстве соединений по линии стыка наблюдается светлая обезуглероженная полоска. Все стыки по форме и наличию светлой полоски можно разделить на 3 группы:

• стыки без светлой полоски; 
• стыки со светлой полоской, с размытыми границами; 
• стыки со светлой полоской, имеющей резко очерченные границы.

Структура светлой полоски феррито-перлитная. Максимальное содержание углерода в ней 0,08-0,16%, при содержании его в металле свариваемых труб 0,18%. По обе стороны располагаются зоны крупного и мелкого зерна с нормализованной структурой. Ширина светлой полоски и ее форма зависят от режима нагрева и осадки. При удельных давлениях осадки до 6 кг/мм2 границы полоски размытые, практически независимо от режима нагрева; ширина ее достигает 0,9 мм. Механические испытания образцов сварных соединений, выполненные при указанных удельных давлениях осадки, пока?али, что прочностные характеристики стыка ниже характеристик основного металла. Это объясняется наличием в стыке окисных включений. Установлено, что оптимальная величина удельных усилий при осадке составляет 8-10 кг/мм2. Изучение структуры соединений, выполненных дугоконтактной сваркой на различных режимах нагрева при удельных усилиях осадки 8-10 кг/мм2, позволило установить, что размер и форма светлой полоски, а также размеры зоны термического влияния зависят от параметров нагрева: с увеличением сварочного тока и, соответственно, с уменьшением длительности нагрева ширина светлой полоски и ширина зоны термического влияния уменьшаются, границы полоски становятся более резкими. При этом возможны такие форсированные кратковременные режимы, когда светлая полоска вообще отсутствует, а зона термического влияния минимальна. Металлографические исследования сварных образцов с последующими их механическими испытаниями показали, что от размеров зоны термического влияния, наличия и формы светлой полоски зависят механические свойства сварного соединения. С уменьше нием ширины полоски и зоны термического влияния свойства сварных соединений повышаются. Таким образом, для получения высокого качества сварных соединений следует использовать форсированные режимы нагрева и более высокие удельные усилия осадки.

---

Дополнительная информация:

Материал перенесен с сайта websvarka.ru «как есть». Если найдутся желающие внести правки в содержание статьи (исправить ошибки, неточность, внести актуальные дополнения), то сообщите - выдам права модератора на тему.

 

Изменено 28 января, 2015 пользователем Andrew

[Andrew]

Технология дугоконтактной сварки

 

Трубы, предназначенные под сварку, должны иметь торцы, перпендикулярные оси труб, без заусенцев. Для дугоконтактной сварки пригодны заготовки с торцами, полученными после резки на токарных станках, труборезных станках, маятниковой пиле с последующим снятием заусенцев сверлом, диаметр которого равен внутреннему диаметру трубы. Зачистка поверхностей заготовок от грязи и ржавчины не требуется. Процесс разработки технологии дугоконтактной сварки практически сводится к выбору рациональных параметров нагрева и осадки, обеспечивающих достижение равнопрочности сварного соединения с основным металлом, и отсутствию дефектов в сварном соединении. Необходимое качество сварных соединений получается при сдавливании равномерно разогретых по сечению кромок изделий. Равномерность нагрева достигается выбором оптимального режима сварки. Удовлетворительное формирование шва может быть получено при различных значениях сварочного тока и длительности разогрева. Каждому диаметру трубы соответствует свой диапазон сварочных токов, в пределах которого обеспечивается удовлетворительное формирование шва. Существенное влияние.на качество сварки оказывает величина плотности тока в изделии. При плотности тока менее 0,5 а/мм2 высокое качество сварных соединений может быть обеспечено в случае проведения механической осадки лишь тогда, когда накапливающийся на торцах свариваемых частей изделия металл уже начал течь, т. е. после появления стекающего слоя жидкого металла. При этом для обеспечения устойчивости процесса сварки необходимо поддержание зазора между свариваемыми изделиями, что может быть достигнуто только с помощью следящих систем. При плотности тока более 0,5 а/мм2 механическую осадку можно осуществлять при наличии на торцах изделий жидкой пленки металла без появления стекающего слоя. Это позволяет вести разогрев торцов труб при неподвижных относительно друг друга частях свариваемых изделий, уменьшает объем высаженного металла, т. е. уменьшает величину внутреннего и наружного грата. Благодаря тому, что разогрев ведется при неподвижных частях изделия, становится возможным упрощение конструкции оборудования за счет исключения сложных следящих систем. Если мощность источника питания не ограничена, следует стремиться к верхнему пределу сварочного тока. При заданном заранее источнике питания рациональным является наиболее эффективное использование его мощности. На равномерность разогрева торцов по периметру изделия существенно влияет скорость перемещения дуги.

 

Установлено, что в конечной стадии нагрева может возникнуть локальное увеличение зазора, так называемый вырыв. При этом в металле, где произошел вырыв, образуется зона с пониженной прочностью шва, либо вообще несплошность соединения. Причиной образования вырывов является, по-видимому, возникновение жидких металлических капель, скорость перемещения которых значительно меньше скорости перемещения дуги. Благодаря разности скоростей возникают задержки в движении дуги, приводящие к местному расплавлению торцов и выбросу расплавленного металла из стыка. Одним из способов борьбы с вырывами является периодическое изменение направления вращения дуги (реверс), что дает возможность в течение некоторого времени разгонять жидкий металл по кромкам, не давая скапливаться ему в одном месте. Однако реверсирование, особенно на форсированных режимах, является малоподходящим и трудновыполнимым средством. Экспериментально установлено, что сочетание плотности тока в изделии более 0,5 а/мм2 со скоростями перемещения дуги порядка 100-150 м/сек позволяет полностью устранить вырывы и обеспечить равномерный разогрев кромок. Исходя из этого определяется величина радиальной индукции в зазоре и намагничивающая сила катушек возбуждения. Определение параметров катушек возбуждения (числа витков, сечения провода и тока) производятся, исходя из конструктивных соображений и способа питания катушек (независимо от дуги или путем последовательного включения их в сварочную цепь). Величина удельных усилий осадки при дугоконтактной сварке несколько выше по сравнению с контактной сваркой и составляет 8-10 кг/мм2 для малоуглеродистой стали. Оптимальная величина установочного зазора между свариваемыми частями изделия практически не зависит от размеров свариваемых изделий. Так, для труб диаметром до 100 мм — оптимальная величина указанного зазора составляет 2 мм, а для труб диаметром от 100 до 300 мм −2,5-3 мм. Отклонения величины зазора от оптимальной, как в сторону уменьшения (до 1,5 мм для труб диаметром до 100 мм и до 2 мм для труб диаметром 100- 300 мм), так и в сторону увеличения (до 2,5 мм для труб диаметром до 100 мм и до 3,5 мм для труб диаметром 100-300 мм) могут привести к нарушению устойчивости движения дуги. Сводные данные по режимам сварки, обеспечивающие удовлетворительное качество сварных соединений при неподвижных частях изделия в процессе разогрева, для труб диаметром 17-114мм из стали СтЗ-Ст20 приведены в таблице.

Изменено 28 января, 2015 пользователем Andrew

[Andrew]

Оборудование для дугоконтактной сварки

 

Во ВНИИЭСО разработана установка типа УДК-204 для механизированной сварки неповоротных стыков водогазопроводных труб при монтаже санитарно-технических устройств на строительной площадке. Установка включает в себя переносную сварочную головку, переносное пневматическое устройство и агрегат питания. Вес сварочной головки 8,5 кг. Сварочная головка, состоит из механизмов зажатия труб, привода осадки и системы возбуждения магнитного поля.

 

С целью упрощения конструкции сварочной головки, уменьшения ее габаритов и обеспечения сварки в труднодоступных местах механизмы зажатия установлены так, что они вместе со свариваемыми трубами в течение всего процесса разо грева остаются относительно друг друга неподвижными. Зажатие труб осуществляется вручную быстродействующими трехшарнирными зажимами. Привод осадки — пневматический с диафрагмой, помещенной между двумя крышками. Давление диафрагмы передается на поршень и через рычаг сварочной головки — на зажимные губки с трубами. Система возбуждения магнитного поля выполнена разъемной в радиальном направлении и состоит из четырех катушек, создающих в зазоре между трубами радиальное магнитное поле, обеспечивающее перемещение сварочной дуги вдоль кромок свариваемых труб. Катушки возбуждения не имеют отдельного источника питания и включены последовательно в сварочную цепь.

 

Для установки зазора между трубами перед сваркой имеется специальный поворотный нож. Пневматическое переносное устройство состоит из ресивера и электропневматического клапана, управляющего подачей сжатого воздуха от компрессора к сварочной головке. Агрегат питания включает в себя источник питания дуги-стандартный сварочный преобразователь постоянного тока, источник питания сжатым воздухом — компрессор, блок аппаратуры и барабан для кабеля и шланга. Сварочная головка связана с пневматическим устройством проводами и шлангом длиной около двух метров. Их длина от пневматического устройства до агрегата питания — 75 м.

 

Для облегчения работы в монтажных условиях сварочные провода имеют небольшое сечение (25 мм2). Наличие относительно высокого падения напряжения на сварочных проводах вызывает необходимость в применении сварочного преобразователя на 500 а при номинальном сварочном токе 260 а. Блок аппаратуры обеспечивает необходимый цикл сварки: автоматическое включение сварочного тока, регулируемую выдержку времени разогрева, включение осадочного давления по истечении заранее установленного времени разогрева на осадку под током. Работа на установке производится следующим образом: концы свариваемых труб зажимаются в сварочной головке. Угольным стержнем возбуждается электрическая дуга между кромками труб и далее автоматически проходят следующие процессы: оплавление кромок вращающейся дугой, осадка, отключение сварочного тока и снятие давления осадки. При работе с установкой необходимо соблюдать правила техники безопасности и противопожарные правила, установленные для сварочных работ с открытой дугой. В процессе сварки не следует касаться свариваемых труб. Напряжение между трубами в процессе разогрева имеет ту же величину, что и между электродом и изделием при ручной дуговой сварке, т. е. 26-28 в. Сварка может быть осуществлена в любом пространственном положении на расстоянии не менее 30 мм от стены здания.

 

Сваренные стыки равнопрочны основному металлу. Грат равномерно распределяется по периметру трубы, величина его не превышает 1-15 мм. При гидравлических испытаниях на плотность сварные образцы выдерживают давление 300 кгс/см2. Для труб, сваренных дугоконтактной сваркой, приемлемы все методы контроля качества, применяемые при контактной сварке. Наиболее широкое применение установка типа УДК-204 находит, при сварке отопительных систем зданий. Монтаж и сборка отопительных систем под сварку производится, как правило, заранее. Трубные заготовки стояков изготавливаются на заводе. 

 

Внедрение установки УДК-204 дает следующие экономические преимущества: 

• исключаются расходы на кислород, ацетилен, электроды и т. п., установка сваривает трубы только за счет разогрева самих торцов и их сдавливания после разогрева; 
• повышается производительность и качество монтажно-сварочных работ; 
• снижаются требования к квалификации сварщика; вместо сварщика V-VI разряда, выполняющего ручную дуговую сварку, обслуживание установки производится оператором III разряда;
• снижение количества вредных веществ, выделяющихся при сварке оцинкованных труб, благодаря кратковременности процесса и малой зоне разогрева. 

Технические данные установки 

• На установке могут быть сварены трубы диаметром 21,3 мм и 26,8 мм с толщиной стенки до 3,2 ми. При переходе с одного размера свариваемых труб на другой производится смена зажимных губок и изменяется время разогрева. 
• Номинальный сварочный ток 260 а. Величина тока при сварке всех размеров труб остается постоянной. 
• Род сварочного тока — постоянный. 
• Продолжительность включения — 2,5%. 
• Напряжение на дуге — 25-26 в. 
• Привод осадки-пневматический. 
• Усилие осадки-1800 кг при давлении сжатого воздуха — 5,5 кг/см2. 
• Время сварки — до 3 сек. 
• Производительность установки — 30 сварок/час. 
• Вес установки: сварочной головки — 8,5 кг; переносноо ресивера — 8,0 кг; агрегата питания — 1000 кг. 
• Габаритные размеры: сварочной головки — 195×185×550, переносного ресивера — 252 X236 X 360; агрегата питания — 1470Х900Х1490.

[денис федотов]

клева. но за 17лет работая сварным в разных отраслях связанных с монтажом и ремонтом трубопроводов варят ручной сваркой. на магистральных д-1200мм один раз сталкивался с па устанвкой.