Применение сварных профилей в течение последних 10–15 лет неуклонно растет, главным образом за счет автомобильной промышленности. В поисках способов повышения прочности и снижения веса автомобильные инженеры постоянно исследуют материалы и процессы формовки, чтобы найти наилучшее сочетание конструкции детали, веса и прочности. Чтобы получить кусок этого растущего пирога, производителям валков необходимо учитывать технологичность и надежность. Насколько легко или сложно будет изготовить этот профиль? Насколько он будет жестким и сильным? Будет ли продукт оставаться неизменным от одного запуска к другому и изо дня в день?
Для опытных профилировщиков эти вопросы больше связаны со сваркой, чем с профилировкой. Хотя на трубопрокатных заводах использовалось множество технологий сварки, на первый план вышли три: сварка вольфрамовым инертным газом (TIG), официально определяемая Американским обществом сварщиков как газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW); лазерная сварка (ЛЛС); и высокочастотная индукционная сварка (HFI), формально известная как индукционная сварка сопротивлением (RSEW-I). Эти технологии можно разделить на две группы: сварку плавлением и кузнечную сварку. GTAW и лазер — это технологии сварки плавлением, в которых для плавления материала используется главным образом тепло. HFI — это технология кузнечной сварки, в которой используется сочетание тепла и давления.
Хотя трубы, трубы и профили изготавливаются из самых разных материалов, в этой статье основное внимание уделяется углеродистой стали, легированной стали и нержавеющей стали.
Сварка плавлением
Сварка плавлением — это общий термин для сварочных процессов, в которых используется плавление для соединения материалов с аналогичным составом и температурой плавления. Для профилирования рулонов присадочный металл обычно не используется.
Основы GTAW. GTAW генерирует электрическую дугу между неплавящимся вольфрамовым электродом и заготовкой для получения сварного шва. Зона сварки защищена от атмосферного загрязнения защитным газом (одним газом или смесью газов). GTAW иногда называют методом плавления «схлопыванием», который подразумевает, что сварочная ванна схлопывается обратно по мере затвердевания. Из-за этого эффект гравитации вызывает беспокойство по двум причинам. Во-первых, сварной шов должен находиться в положении на 12 часов. Во-вторых, если лужа станет слишком горячей, она упадет и сварной шов окажется дефектным.
Оборудование GTAW. Оборудование, необходимое для успешного выполнения GTAW, мало чем отличается от основного оборудования для ручной сварки. Источник питания можно приобрести в большинстве местных сварочных компаний.
При выборе источника питания важно обращать внимание на его особенности, в первую очередь на номинальную выходную мощность, которая является основным фактором, определяющим скорость сварки. Это важно, поскольку производственная скорость стана обычно ограничивается скоростью GTAW. К сожалению, многие источники питания рекламируются с номинальной выходной мощностью при рабочем цикле всего 60 процентов. Это означает, что они могут перегреться, если работать на полной мощности более 60 процентов времени. Для непрерывного применения, такого как профилирование, важно знать выходную мощность при 100-процентном рабочем цикле.
Практический предел для поточной сварки составляет примерно 350 ампер. Подача большего тока в сварочную ванну обычно не приводит к увеличению скорости сварки. Именно по этой причине доступны системы с несколькими факелами или несколькими катодами.
Еще одним фактором, который следует учитывать при выборе источника питания, является способность обеспечивать импульсный ток, который относится к двум уровням тока. Более высокий уровень тока (импульс) нагревает сварочную ванну; более низкий уровень тока, или фоновый ток, позволяет сварочной ванне остыть. Импульсный ток выделяет меньше тепла в заготовку, уменьшая искажения по мере ее охлаждения. Это также увеличивает стабильность дуги за счет ее жесткости. Результатом является более глубокое проплавление сварного шва и более высокая скорость сварки.
В некоторых случаях ручной сварки для достижения наилучшего качества сварки используются возвратно-поступательные (плетение) или круговые движения. Для того же эффекта при использовании стационарной горелки для управления сварочной дугой используются магнитные генераторы.
Помимо достаточного сварочного тока необходимо также достаточное сварочное напряжение. Как гласит закон Джоуля, мощность равна напряжению, умноженному на ток (P = V x I). Поскольку большинство источников питания обеспечивают постоянный ток, поддержание постоянного напряжения необходимо для постоянной мощности (при сварке это означает постоянный нагрев). При дуговой сварке напряжение прямо пропорционально длине дуги (расстоянию от кончика электрода до заготовки).
Для автоматического поддержания постоянной длины дуги (или напряжения дуги) можно использовать контроллер напряжения дуги (AVC). AVC включает в себя моторизованное крепление горелки, которое перемещает резак вертикально по мере необходимости для изменения длины дуги. В сочетании с электронным контроллером, который контролирует напряжение дуги, система поддерживает постоянную длину дуги.
Хотя длина дуги не сильно меняется, она со временем увеличивается по мере того, как вольфрамовый электрод деградирует и становится короче. Для тонкостенных профилей или чувствительных изделий такое незначительное изменение длины дуги может существенно повлиять на качество сварки. Обратной стороной является то, что AVC позволяют продолжать работу сварочной системы, даже если настройка не оптимальна. Некоторые операторы мельниц считают, что лучше остановить линию и заменить электрод на новый, поскольку он приходит в негодность.
Встроенное приложение GTAW . При использовании поточной сварки GTAW наиболее важным моментом является то, как правильно расположить и поддерживать края полосы профиля для стыкового сварного соединения до и во время сварки. Для достижения этой цели необходимы как хорошая конструкция формовочного инструмента, так и конструкция прижимной коробки для сварки. Валковая оснастка должна быть спроектирована таким образом, чтобы края полосы образовывали замкнутый квадратный стык, в котором два края полосы плоские и параллельны друг другу.
Сварочная коробка должна иметь возможность при необходимости закрыть открытый шов и удерживать профиль закрытым в процессе сварки. Обычно для этого требуются две пары валков. Для более высоких скоростей сварки может потребоваться добавление третьей пары роликов, чтобы удерживать профиль закрытым в течение более длительного времени и позволить сварочной ванне достаточно затвердеть. Более высокие скорости сварки характерны для более тонких материалов и при использовании многокатодных горелок. В некоторых случаях вместо вращающихся валков используется сплошной контурный сварочный блок.
Лучше всего использовать немагнитный материал сварочных роликов, чтобы он не мешал сварочной дуге. В зависимости от применения может оказаться полезным использовать контур охлаждения горелки для охлаждения сварочных валков, валов валков или того и другого.
Основы лазера. Лазерная сварка (LBW) обеспечивает концентрированный источник тепла, позволяющий выполнять узкие и глубокие сварные швы и относительно высокие скорости сварки.
Как и GTAW, LBW представляет собой процесс синтеза; однако на этом сходство заканчивается. При лазерной сварке двумя основными процессами являются теплопроводная сварка и сварка с глубоким проплавлением, также известная как сварка с замочной скважиной. При теплопроводной сварке соединяемые материалы плавятся за счет поглощения лазерного луча поверхностью материала - затвердевший расплав соединяет материалы. Глубина провара в этом случае обычно составляет менее 2 мм.
Сварка глубокого проплавления основана на создании парового капилляра внутри материала путем локального нагрева до температуры испарения. Возникающее в результате давление пара внутри материала создает капилляр, который движется сквозь материал вдоль сварного шва. Гидростатическое давление, поверхностное натяжение бассейна и давление пара внутри капилляра достигают равновесия, предотвращая разрушение капилляра, часто называемого замочной скважиной.
В то время как GTAW требует закрытого квадратного стыкового соединения, лазерную сварку можно использовать и для других применений — фланцевых соединений, соединений внахлест, угловых швов и точечной сварки.
Лазерное оборудование. Тремя основными компонентами лазерной системы являются генератор луча, система доставки луча и фокусирующая оптика. Наиболее распространенными типами генераторов луча сегодня являются CO 2 , Nd:YAG (иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом) и оптоволокно.
Самая старая технология – CO 2 . На протяжении многих лет он был рабочей лошадкой в отрасли и продолжает показывать хорошие результаты. Эти лазеры генерируют луч, подавая электрическую энергию на закрытую смесь газов, которая стимулирует молекулу CO 2 испускать фотоны света или тепла. Луч доставляется к фокусирующей оптике через ряд сильфонов, герметизированных сжатым воздухом или газообразным азотом для защиты от пыли и твердых частиц, а также через набор зеркал.
Лазеры Nd:YAG представляют собой твердотельные устройства, которые накачивают источник света высокой интенсивности (лампы-вспышки или диоды) в кристаллический стержень со специальным покрытием, который заставляет его генерировать луч. Хотя качество луча не такое хорошее, как у CO 2 -лазера, у них мало движущихся частей, а луч может передаваться по гибкому оптоволоконному кабелю.
Волоконные лазеры генерируют луч, накачивая диодный свет непосредственно в оптическое волокно. Волоконные лазеры обеспечивают превосходное качество луча, доставку луча по оптоволокну и не имеют движущихся частей.
Лазерное встроенное применение. Как и GTAW стыковых соединений, лазерная сварка требует еще большего внимания к внешнему виду кромки полосы. Однако лазерная сварка может быть в три-пять раз быстрее, чем GTAW. В результате такой увеличенной скорости сварочная ванна движется вниз по потоку гораздо быстрее и дальше, чем при GTAW. Чтобы лужа успела затвердеть и не раскрылась, профиль следует держать закрытым в течение более длительного времени. Обычно это достигается добавлением третьей пары прижимных валков.
Поскольку размер пятна лазера очень мал, стабильность сварного шва имеет решающее значение. Для этого требуется как очень хорошая конструкция оснастки для валков, так и хорошо отрегулированная и стабильная машина для профилирования валков. Для этого также требуется высококачественная полосовая ложа с минимальным развалом и относительно жестким контролем колеи.
Кузнечная сварка
Для кузнечной сварки используется нагрев и процесс ковки или прессования для создания соединения. Хотя нет необходимости фактически плавить соединяемый металл, необходимо иметь достаточное давление сжатия при ковке.
Основы HFI. Сварка HFI использует те же принципы, что и индукционный нагрев. Это процесс нагрева электропроводящего объекта (обычно металла) с помощью электромагнитной индукции, при котором внутри металла генерируются вихревые токи, а электрическое сопротивление этому потоку тока приводит к нагреву металла. Процесс HFI зависит от двух явлений, связанных с током высокой частоты: скин-эффекта и эффекта близости.
Скин-эффект — это тенденция ВЧ тока оставаться близко к поверхности проводника, которая зависит от частоты. Для сварки HFI типичны частоты от 200 кГц до 400 кГц.
Важно понимать, как протекает ток в сформированном профиле.
Одним из недостатков является то, что тепло выделяется везде, где протекает ток, а ток течет везде, где электромагнитное поле достигает металла. Необходимо заблокировать ток, доходящий до идентификатора профиля. Это достигается путем размещения ферритового сердечника или импедера внутри профиля (см. Рисунок 6 ).
Фокусировка тока там, где он необходим, является необходимым шагом для использования другого явления — эффекта близости. Это тенденция индуцированных токов концентрироваться там, где два проводника находятся ближе всего друг к другу.
Оборудование HFI. Процесс сварки HFI начинается с использования высокочастотного индукционного источника питания. Независимо от производителя, все сварочные аппараты HFI имеют одни и те же шесть основных компонентов:
- Выпрямитель — преобразует входящее электричество переменного тока в постоянный ток.
- Инвертор — преобразует электричество постоянного тока в высокочастотный переменный ток. В этом компоненте может использоваться технология электронных ламп или твердотельных транзисторов.
- Схема согласования выходов — использует трансформатор и батарею конденсаторов для оптимальной передачи мощности на заготовку.
- Шина — используется для передачи энергии от согласующей цепи к рабочей катушке. Может быть настроен в соответствии с конкретным применением профилирования рулонов.
- Индукционная рабочая катушка — используется для передачи энергии от шины к заготовке. Должен быть настроен в соответствии с применением и конкретными характеристиками согласования нагрузки генератора HFI.
- Система водяного охлаждения — используется для охлаждения внутренних компонентов генератора HFI.
Как упоминалось ранее, для сварки HFI требуется ферритовый импедер. Импедер должен быть специально расположен внутри индукционной катушки. Это делается путем прикрепления импедера к опорной трубке, которая подвешивается на монтажном кронштейне в точке перед зоной сварки. Обратите внимание, что импедеру требуется охлаждающая вода, чтобы предотвратить его перегрев. Монтажный узел должен обеспечивать подачу охлаждающей воды.
Правильное размещение и размер индукционной рабочей катушки относительно центральной линии сварочного ролика важны для успешной и эффективной сварки HFI, равно как и размещение и размер импедера (см. Рисунок 7 ).
Для скрепления кромок используется прижимная валковая коробка. Конфигурация коробки обычно определяется ее размером и профилем. Важно использовать конфигурацию, которая позволит соответствующим образом прижать друг к другу нагретые края полосы.
Встроенное приложение HFI. Из трех описанных здесь методов HFI требует наибольшего внимания к деталям. Для достижения успеха геометрия сварочного ролика, расположение кромок полосы, импедер и рабочая катушка должны дополнять друг друга. Однако, как только они установлены, сварка HFI превосходит два других метода.
Поскольку HFI нагревает края полосы в открытой атмосфере, в сварном соединении образуются оксиды и другие примеси, поэтому необходимо давление сжатия, чтобы опрокинуть часть материала или вытолкнуть его из сварного шва. Этот материал образует два выступа, один на внутренней стороне и на наружном диаметре, известные как выступы или косынки.
В некоторых приложениях допускается процесс прокатки, который уменьшает профиль выступа, но во многих приложениях требуется его удаление. В устройстве для обрезки сварного шва используется твердосплавный режущий инструмент для зачистки, зачистки или обрезки высаженного валика из соединения.
В большинстве случаев сварной валик зачищается, разрезается и бросается в бункер, который оператор стана периодически опорожняет. Если зачищенный сварной валик представляет собой непрерывную полосу материала, его можно нанизать на намоточное устройство, которое собирает и хранит валик.
Давление сжатия имеет еще один результат, которым необходимо управлять. В зависимости от материала, выравнивания кромок и давления сжатия кромки могут перекрывать друг друга. Чтобы предотвратить несовпадение кромок, приводящее к перекрытию, следует изменить конструкцию оснастки, чтобы обеспечить небольшой выступ на обеих опорах (см. Рисунок 8 ). В этом случае, когда сжимающее давление прикладывается с боков, естественной тенденцией является движение ножек вверх и наружу против верхних сварочных валков. Эта стратегия венчания увеличивает шансы на правильную регистрацию кромок полосы и давление ковки. Профиль может быть изменен при последующих проходах прокатки.
Сравнение методов
Независимо от метода сварки необходимо уделить внимание охлаждению сварного шва. Если деталь покинет стан до того, как сварной шов остынет, она, вероятно, будет изгибаться и скручиваться при охлаждении. В большинстве случаев достаточно станции водяной закалки, использующей охлаждающую жидкость мельницы. Скорость сварки обычно определяет длину секции охлаждения; Общее эмпирическое правило требует 1 фута длины охлаждения на каждые 10 футов в минуту скорости сварки. Имейте в виду, что это всего лишь отправная точка; также играют роль марка материала и металлургические свойства сплава. Некоторые материалы перед закалкой в воде требуют выдержки или охлаждения на воздухе, или того и другого. Кроме того, для некоторых материалов может потребоваться, чтобы вся сварка и охлаждение происходили в атмосфере защитного газа.
Еще одним фактором, требующим внимания, является система привода мельницы, которая должна иметь хорошее регулирование скорости, особенно если в ней используются несколько приводных двигателей. Предпочтителен отдельный двигатель для привода валков после сварочной станции, чтобы профиль мог поддерживаться в постоянном натяжении во время сварки. Это натяжение полезно для закрытия сварного шва и удержания его закрытым во время сварки. Отсутствие натяжения полосы можно сравнить с проталкиванием влажной лапши через сварочную камеру. Хотя натяжение полосы может быть достигнуто путем прогрессирования или увеличения конструкции валкового инструмента, гораздо проще регулировать скорость отдельного двигателя.
Решение использовать GTAW обусловлено несколькими ключевыми моментами. Во-первых, сварной шов должен быть непрерывным и иметь ориентацию на 12 часов. Если ограниченная скорость приемлема и стоимость оборудования вызывает беспокойство, то GTAW, как правило, является правильным выбором. Важно отметить, что стан GTAW можно без особых проблем модернизировать до LBW. GTAW можно считать промежуточным этапом перед переходом к LBW. Также возможно настроить мельницу так, чтобы ее можно было переключать между GTAW и LBW.
LBW является предпочтительным методом в ситуациях, когда непрерывный шов невозможен, когда шов не ориентирован на 12 часов или требуемое соединение не является стыковым. LBW также полезен в ситуациях, когда скорость GTAW слишком низкая. LBW, безусловно, является наиболее универсальным методом.
Самым большим преимуществом сварки HFI является скорость. Если возможен непрерывный шов и никакие другие факторы не ограничивают скорость сварки, то, как правило, HFI является правильным выбором, особенно если применение требует крупносерийного производства.
