Применение электрических параметоров режима высокочастотной сварки спиральношовных труб для организации процессов управления и контроля

Е.А. Пантелеймонов, канд. техн. наук, М.В. Самофалов, Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины

На нашем сайте вы можете купить сварочные аппараты по выгодным ценам. Поставки оборудования возможны во все регионы России. Получить консультацию по ассортименту и оформить заказ можно по телефону (8452) 66-22-78.

Сварные тонкостенные спиральношовные (СШ) трубы применяют в системах вентиляции, водоснабжения, при изготовлении трубчатых конструкций и различных технологических устройств. В ИЭС им. Е. О. Патона разработаны технология и оборудование для производства СШ труб диаметром 50–3200 мм с толщиной стенки 1–3 мм из низкоуглеродистых и низколегированных сталей способом высокочастотной сварки (ВЧС). В качестве источника нагрева используют ламповый генератор мощностью 160 кВт, частотой 440 кГц. Скорость сварки 0,5–1 м/с, в зависимости от диаметра и толщины стенки труб. Металл сварных швов по своим прочностным характеристикам не уступает основному металлу. В то же время, расширение областей применения тонкостенных СШ труб вызывает необходимость изготовления труб ответственного назначения с высоким и стабильным качеством сварных соединений.

Одним из условий получения соединений гарантированного качества является поддержание оптимальных режимов сварки. Исследования в области ВЧС прямошовных и спиральношовных труб со стыковым соединением кромок, выполненные в ИЭС им. Е. О. Патона, свидетельствуют, что при выборе режимов сварки следует ориентироваться на характеристики пульсации электрических параметров, которые отражают реакцию источника нагрева на изменение нагрузки вследствие контактного оплавления свариваемых кромок. Такой подход к организации процессов управления и контроля целесообразно использовать при производстве СШ труб с учетом особенностей формирования термомеханического цикла сварки.

По технологии, разработанной в ИЭС, формовку тонкостенных СШ труб выполняют с перекрытием свариваемых кромок. Это позволяет исключить угловую деформацию в области шва. Ток высокой частоты подводят к кромкам контактным способом. Действие тока проявляется в преимущественном нагреве и оплавлении обращенных друг к другу поверхностей кромок. При последующей прокатке оплавленных кромок в валках формовочно!сварочной клети происходит вытеснение расплавленного металла из зоны соединения и закатка грата. В результате образуется косостыковое сварное соединение с углом наклона линии соединения к поверхности трубы 40–60°. Особенностью сварки СШ труб является взаимосвязь и взаимовлияние процессов нагрева, оплавления и осадки свариваемых кромок с динамикой их схождения. Любые отклонения указанных процессов приводят к изменению термомеханического цикла сварки, что влечет за собой изменение качества сварных соединений или возникновение дефектов в сварном шве.

В зависимости от уровня возмущений соответствующую реакцию источника нагрева на изменение комплексного сопротивления свариваемых кромок можно проследить по реализациям электрических параметров режима сварки СШ труб диаметром 106×1 мм из низкоуглеродистой стали, приведенных на рис. 1. Регистрация и обработка сигналов выполнена с применением программы Power Graph, версия 3.3. Шаг дискретизации 0,1 мс. Однополярные сигналы U_k и I_k представляют собой результат выпрямления и сглаживания RC-фильтрами низкой частоты с частотой среза на уровне 3 кГц выходных сигналов датчиков напряжения (емкостной делитель) и тока контактов (пассивный индукционный преобразователь тока). Сигнал Z_k косвенно характеризует сопротивление кромок. Для вычисления Z_k использовали делитель аналоговых сигналов U_k и I_k, схема которого построена по принципу логарифмирования и антилогарифмирования сигналов. В сигналах U_k и I_k явно выражена модулирующая функция частотой 300 Гц (рис. 1, б). Наличие модулирующей функции обусловлено построением схемы источника нагрева. Анодное напряжение лампы формируется трехфазным тиристорным регулятором напряжения питающей сети и неуправляемым трехфазным выпрямителем. Глубина модуляции зависит от условий согласования источника нагрева с нагрузкой. Кратковременное (0,5–0,6 с) изменение максимальной амплитуды сигнала U_k (участок 1, рис. 1, а) или сигналов U_k, I_k, Z_k (рис. 1, в) возникает при кратковременном отклонении скорости сварки. Периодический дрейф максимальной амплитуды сигналов U_k и I_k, с частотой 1–3 Гц является следствием биения валков формовочно-сварочной клети. Серповидность исходной ленты вызывает периодический низкочастотный (0,2–0,5 Гц) дрейф максимальной амплитуды сигналов U_k, I_k, Z_k. В этом случае происходит периодическое изменение перекрытия свариваемых кромок. Уменьшение перекрытия снижает временное сопротивление σ_в и ударную вязкость α_н сварных соединений. Кратковременное (0,01–0,015 с) изменение сигнала Z_k (рис. 1, в) свидетельствует о прохождении через формовочносварочную клеть исходной ленты с дефектами кромок и появлении коротких дефектов в сварном шве. Нарушение контакта в точке подвода тока к кромкам и срыв генерации, что приводит к появлению непроваров в сварном соединении, отображается кратковременным (0,2–0,4 с) снижением амплитуды сигналов до нуля (участки 2, 4 и 6, рис. 1, а, г). Уменьшение максимальной амплитуды сигналов U_k и I_k, при выборе режима сварки с низким значением подведенной к свариваемым кромкам мощности повышает вероятность образования подрезов при закатке грата.

Анализ амплитудного спектра (рис. 2) сигналов U_k, I_k и Z_k при отсутствии возмущений в очаге сварки показывает, что в модулирующей функции сигналов присутствует периодическая составляющая частотой 300 Гц и отсутствуют составляющие других частот. Это показатель того, что при сварке СШ труб по описанной технологии оплавление кромок происходит преимущественно в точке схождения (точка первичного электрического контакта между кромками), а не на протяженном по длине участке оплавления. С учетом особенностей реакции источника на возмущения в очаге сварки можно считать, что показателем установившихся режимов сварки с фиксированным положением точки схождения кромок является постоянство максимальной амплитуды модулированных сигналов U_k и I_k (см. рис. 1, а) или амплитуды сигналов U_k, I_k, Z_k (см. рис. 1, г). Это определяет целесообразность использования данных параметров для организации процессов управления и контроля в условиях действующих возмущений при производстве СШ труб способом ВЧС. По соответствующей реакции источника нагрева на изменение комплексного сопротивления кромок можно судить об источнике возмущений.

Источник: Информационно-технический журнал "Сварщик", 4 (86) 2012