info@svartek.ru
В этой части статьи мы приступаем к рассмотрению собственно сварочного оборудования для соединений труб.
Для сварки трубных соединений применяются практически все методы электродуговой и газовой сварки. Совершенно очевидно, что при этом может использоваться как специализированное оборудование, так и оборудование общего назначения. Поэтому мы не будем останавливаться на описании стандартного оборудования для таких методов сварки, как MMA, TIG, MIG/MAG и SAW. Мы рассмотрим только автоматизированные сварочные процессы, для реализации которых необходимо специализированное оборудование.
Нужно учитывать, что сварка кольцевых стыков труб может производиться в разных условиях — чаще всего в цеховых и монтажных. В основном эти различия сводятся к решению вопроса о том, что необходимо перемещать во время сварки — сварочную головку или саму трубу, то есть что надо сваривать — поворотные и неповоротные стыки.
Кажется очевидным, что в цеховых условиях можно все стыки сделать поворотными. Однако это возможно только для прямых участков труб или стыков с трубной арматурой, габаритные размеры которых ненамного больше наружного диаметра основной трубы. Поэтому наиболее актуальной является проблема сварки именно неповоротных стыков и специальное оборудование для сварки труб производится в основном для сварки неповоротных стыков. Такую сварку называют орбитальной, потому что сварочная головка перемещается вокруг стыка по круговой орбите. Это перемещение и создает основные проблемы. Как легко понять, при орбитальной сварке сварочная ванна в зависимости от своего местоположения на стыке существует во всех пространственных положениях — от нижнего до потолочного.
Обычная практика при сварке неповоротных стыков — разделение кольцевого стыка на секторы. Количество секторов зависит от диаметра трубы, толщины стенки (то есть количества проходов) и особых требований, предъявляемых к шву (форма обратного валика, геометрические размеры, методы испытаний). Конечно, это разделение является условным — для каждого сектора устанавливаются различные режимы настройки источников питания. При малом диаметре трубы окружность может быть разделена на две части, на 4 или 6 секторов. Наиболее часто встречается разделение на четыре сектора: от 12 до 3 часов, от 3 до 6, от 6 до 9 и от 9 до 12. Различия в настройке режима сварки по секторам позволяет обеспечить качественную сварку, несмотря на разные условия сварки для каждого сектора. При этом сварка начинается в положении 3 или 2 часа и на начальном этапе идет на подъем (до 12 часов); затем зона сварки перемещается в положение на спуск (от 12 до 10 часов). После этого положение сварки последовательно переходит от вертикального на спуск (от 10 до 8 часов) через потолочное (от 8 до 4 часов) до вертикального на подъем (от 4 часов). Оканчивается сварка с небольшим (2—3?) перекрытием шва для отработки режима заварки кратера (кратер должен оказаться на основном металле или металле уже заваренного шва. Одновременно переплавляется начальный участок шва, который может содержать дефекты, появившиеся из-за неустойчивого в начале сварки режима. Разбивка сечения кольцевого стыка на 4 сектора показана на рис. 1.
Как правило, термином орбитальная сварка обозначается автоматическая TIG (GTAW) сварка неповоротных стыков. Учитывая используемый сварочный процесс, орбитальная сварка в основном применяется при изготовлении трубопроводов из высоколегированных нержавеющих сталей или алюминиевых сплавов. Безусловно, это оборудование можно использовать и для сварки обычных низкоуглеродистых или низколегированных сталей, но при этом возникают чисто технологические проблемы, связанные с наличием в этих сталях примесей (в первую очередь, серой и фосфором), присутствующих в не до конца раскисленных сталях. Бывает, что при TIG-сварке труб из не очень качественной стали (обычно кипящего класса), металл в сварочной ванне действительно вскипает и при кристаллизации образует огромное количество пор и подрезов. Естественно, о качестве сварки говорить не приходится.
а — источник питания для орбитальной сварки с встроенным контроллером Polysoude PS254;
б — контроллер орбитальной сварки Orbitec Basic (вверху) и стандартный источник питания Lorch H180t;
в — панель управления контроллера орбитальной сварки Orbitec Integral
Второй метод, применяемый для сварки неповоротных стыков — MIG/MAG (GMAW). За счет применения присадочной проволоки довольно большого сечения (конечно, по сравнению с методом GTAW) метод GMAW позволяет получить большую массу наплавленного металла. Однако с точки зрения технологии процесс GMAW сложнее GTAW и заслуживает отдельного разговора.
Комплект оборудования для орбитальной сварки состоит из трех основных элементов — источника питания, контроллера управления и переносной сварочной головки.
Наиболее простым элементом является сварочный источник питания. Многие производители даже не разрабатывают специальных источников, а используют стандартные. В этом качестве может выступать любой источник питания для сварки TIG (с круто падающей характеристикой), имеющий устойчивые регулировки тока от 3 или 5 Ампер, установку параметров продувки газа до и после сварки и режим спада тока (заварки кратера). Желательное применение инверторных источников обусловлено несколькими свойствами, присущими этому типу источников:
- высокие сварочно-технологические характеристики;
- возможность быстрого изменения сварочного тока;
- высокая эластичность дуги (способность восстанавливать напряжение сварки до нужного значения при изменении дугового промежутка);
- малая масса, делающая удобным применение в монтажных условиях.
Контроллер орбитальной сварки является расширенным блоком управления; порой он является гораздо более сложным элементом, чем обычный сварочный инвертор. Контроллер не только устанавливает программу настройки источника питания, в нем сосредоточены следующие функции:
- автоматическое формирование режима сварки и его изменение в зависимости от сектора и положения сварки;
- управление сварочной головкой: настройка и контроль скорости сварки (то есть линейной скорости вращения электрода сварочной головки вокруг стыка);
- поддержание постоянным напряжения дуги; для этого существует система AVC (Automation Voltage Control — Автоматический контроль напряжения), которая выравнивает напряжение дуги, колеблющееся от случайных изменений длины дугового промежутка. Выравнивание может осуществляться различными способами, вплоть до автоматического перемещения сварочной горелки вверх и вниз в процессе сварки;
- управление дополнительными устройствами: блоком подачи проволоки, системой подачи формирующего газа и т. д. (о них речь пойдет ниже);
- управление включением/выключением сварочного источника питания;
- запоминание программы сварки;
- формирование протоколов сварки и осуществление связи с внешними информационными сетями.
Разные производители признают две основные концепции исполнения контроллеров: контроллер, встроенный в источник питания, и контроллер, выполненный в виде отдельного блока (как правило, этой политики придерживаются фирмы, использующие стандартные источники питания).
В контроллер орбитальной сварки также может быть встроено множество дополнительных устройств, таких как устройство подачи формирующего газа, принтер для распечатки протокола сварки, интерфейс для соединения контроллера с локальной сетью, сетевой модем и т. д. Как шутят сварщики, контроллер орбитальной сварки — это переносной компьютер, к которому зачем-то подсоединили источник питания.
Орбитальная сварочная головка является основным исполнительным механизмом комплекта оборудования для орбитальной сварки. Сварочная головка выполняет две основные задачи: создание сварочной дуги между электродом и трубой и перемещение сварочной ванны по круговой орбите вокруг кольцевого стыка.
Среди множества сварочных головок орбитальной сварки необходимо выделить следующие типы:
- сварочные головки закрытого типа;
- сварочные головки открытого типа;
- сварочные головки для вварки трубы в трубную доску;
- передвижные сварочные механизмы.
Каждый из этих типов оборудования заслуживает отдельного разговора, поэтому кратко остановимся на особенностях применения различных типов.
Закрытые сварочные головки обеспечивают высокое качество сварки за счет создания вокруг свариваемого стыка замкнутой камеры, заполненной защитным газом; боковые стенки сварочной головки выполняют роль наружного центратора. Закрытые головки позволяют сваривать стыки без предварительной сборки на электроприхватках. Основное применение — сварка труб относительного небольшого диаметра с толщиной стенки до 3 мм (сварка без подачи присадочной проволоки, что называется, своим телом).
Открытые сварочные головки легко монтируются на трубе и позволяют использовать дополнительную присадочную проволоку. Требуют предварительной сборки стыка на электроприхватках или с помощью центраторов. Позволяют сварку стыков с разделкой кромок. Основное применение — сварка труб со средней толщиной стенки, при необходимости — с подачей присадочной проволоки и колебаниями дуги.
Головки для вварки трубы в трубную доску предназначены для сварки угловых швов, образуемых трубой, вставленной в трубную доску. Требуют тщательной сборки стыков. Могут использоваться как с присадочной проволокой, так и без нее.
Передвижные сварочные механизмы (каретки) используют в основном процессы GMAW или GTAW с подачей присадочной проволоки. Не очень требовательны к качеству сборки стыка под сварку. Используются для сварки труб большого диаметра с большой толщиной стенки.
При подготовке статьи использованы материалы компаний Orbitec Schweisstechnik (Германия), Polysoude (Франция), Orbimatic (Германия), PRAI (Италия), Arc Machine (США), Kistler Machines (Германия), CRC-Evans (США).