+38 (048) 729-63-53

Украина, 65031, г. Одесса, ул. Грушевского 39е, 4 эт, оф. 25
info@arguslimited.com.ua

Преимущества технологии Управления Формой Сварочного Тока (УФСТ) при сварке толстостенных и высокопрочных стальных труб

 

За последнее десятилетие передовые производства тяжёлых металлоизделий претерпели ряд коренных изменений. В связи с ростом стоимости энергоносителей и природных рессурсов производители металлоконструкций стремятся к использованию более высокопрочных сталей, что уменьшает металлоёмкость, облегчает конструкцию, сокращает энергоёмкость производства.

Эпоха легкой добычи энергорессурсов закончилось. Месторождения располагаются во все более труднодоступных местах, соответственно и строящиеся и проектируемые трубопроводы становятся структурно сложнее и протяжённее. Трубопроводы всё чаще прокладываются в сейсмически опасных регионах или районах крайнего Севера, что в свою очередь вносит дополнительные требования по низкотемпературной ударной вязкости и другим прочностным показателям.

Владельцы трубопроводов, стремясь к удешевлению строительства и эксплуатации трубопроводов, настаивают на достижении требуемой пропускной способности за счет увеличения рабочего давления и диаметра трубопровода, а не за счет строительства множества параллельных линий.

Более 20 лет назад были разработаны широко используемые и в настоящее время высокопрочные стали классов Х-60 и Х-65 (К-60). Однако номинальное совпадение названий этих сталей не отражает того факта, что сегодня их металлургия, а соответственно – и требуемые режимы сварки и сварочные матери  алы — существенно иные.

X60_newX60_old

 

 

 

 

 

 

 

 

                   Сталь Х60 в 1987г                                         Сталь Х60 в 2005г 

Подобные стали требуют более тщательного контроля удельного тепловложения при сварки металлоконструкций (труб). Нарушение тепловых режимов ведет к разупрочнению сварного стыка.

Таким образом, производство труб для магистральных трубопроводов сегодня должно быть ориентировано на сварку изделий из сталей высоких классов прочности одновременно с увеличением толщины стенки. В совокупности именно эти факторы и позволяют обеспечить повышение пропускной способности современных трубопроводов при сохранения контроля как за стоимостью строительства, так и за эксплуатационными расходами. С точки зрения сварочного производства это означает использование существенно более жестко контролируемых процессов сварки. Контроль теполовложения является залогом успешного выполнения сварного стыка – как на трубопрокатном заводе, так и на трубосварочной базе, а также и на трассе. Таковы реалии сегодняшнего дня.

Сварка под слоем флюса является наиболее распространненным способом, применяемым при производстве труб и трубных плетей на трубопрокатных заводах и трубосварочных базах.

Ещё раз подчеркнём, что задача эффективной и качественной сварки продольных и спиральных швов толстостенных труб из высокопрочных сталей, равно как и задача сварки кольцевых швов при изготовлении двух трубных секций, в значительной степени упирается в управление тепловложением для формирования требуемой металлургии шва и выполнение сварки за минимальное число проходов.

Решение этой задачи традиционным способом ограничено:

  • практическим пределом «не более 4-х дуг, работающих в одну ванну»,
  • нестабильностью и капризностью традиционных многодуговых систем,
  • сложностью переналадки вышеуказанных традиционных многодуговых систем при изменении сорта металла, толщины стенки, геометрии шва и т.д.
  • источники сварочного тока в «традиционном» исполнении не позволяют гарантировать требуемое удельное тепловложение в зону сварки
  • наконец, ещё одна проблема связана с отсутствием рынка квалифицированной рабочей силы.

В связи с вышеизложенным переход на изготовление труб с большой толщиной стенки и выполненных из высокопрочных сплавов с помощью традиционного метода сварки под флюсом весьма осложнен.

Традиционная nехнология сварки под флюсом за последние 40 лет интенсивного применения в промышленности завоевала репутацию безопасного, надежного, производительного и качественного сварочного процесса. С другой стороны, невысокая эксплуатационная гибкость и узкая специализированность этой технологии работали против неё — сварка под флюсом зачастую не рассматривалась как перспективная, современная и динамичная технология широкого профиля.

Однако 3 года назад точка зрения на сварку под флюсом как на консервативный процесс изменилась на прямо противоположную — источник сварочного тока PowerWave® AC/DC 1000 c УФСТ производства компании Lincoln Electric произвёл переворот в этом технологическом процессе.

Развитие цифровых инверторных технологий и высокоскоростных сильноточных систем коммутации позволило компании Lincoln Electric подойти к решению задачи многодуговой сварки под флюсом с совершенно иной стороны. Успешно применяемый на протяжении последних трех лет источник сварочного тока для сварки под флюсом PowerWave AC/DC 1000, сконструированный на основе этих технологий и систем, не является ни традиционным трансформатором, ни традиционным выпрямителем. Это принципиально новое устройство, предназначенное как для однодуговой сварки под флюсом, так и для комплексирования в многодуговые и особо сильноточные системы. Параллельное включение этих источников сварочного тока позволяет наращивать силу тока в каждой дуге с кратностью 1000А. Таким образом создан относительно недорогой, гибкий и легко переналаживаемый, надежный и апробированный на сотнях предприятий как в России, так и за рубежом, источник сварочного тока, оптимизирующий процесс сварки сложных изделий под флюсом.

Основные свойства

  1. Источник может быть использован для сварки одной дугой силой тока до 1000А.
  2. Источник может быть использован для сварки 2-мя проволоками в одну сварочную ванну
  3. Два и более источников могут быть включены параллельно для создания одной дуги силой тока 2000А и более.
  4. Два и более (до пяти) источников могут включаться в синхронизированные многодуговые комплексы.
  5. Сила тока в каждой из дуг многодугового комплекса может быть увеличена за счет параллельного включения дополнительных источников.
  6. Переналадка комплекса осуществляется цифровым способом путем ввода новых сварочных параметров в каждый из источников сварочного тока.
  7. Добавление дуг осуществляется механическим наращиванием числа источников сварочного тока и изменением конфигурации сборки сварочных головок путём добавления сварочной головки и механизма подачи проволоки.
  8. Многодуговые комплексы легко реализуют независимое управление наплавкой и проплавлением.
  9. Источники снабжены интерфейсами, позволяющими легко встраивать их в системы автоматизации, программировать и управлять сварочными параметрами комплекса от единого пульта или обыкновенного компьютера, контролировать и протоколировать все сварочные параметры непосредственно во время сварки в реальном времени. Работа сварщика перестала быть престижной и привлекательной для молодежи. Поэтому в условиях резкого повышения требований к качеству и производительности сварки в сочетании с острой нехваткой квалифицированных и ответственных операторов-сварщиков возможность максимально снизить роль человеческого фактора и разгрузить сварщика, передав во многом контроль за сваркой на само сварочное оборудование, реализованная в автоматизированных комплексах на базе истоников сварочного тока PowerWave AC/DC 1000, является исключительно важной.

Первоначально оборудование для сварки под флюсом состояло из источника сварочного тока, блока управления и механизма подачи сварочной проволоки.

Источник сварочного тока, по сути обыкновенный выпрямитель или трансформатор, был рассчитан только на один род тока — постоянный (DC) или переменный (AC).

Для сварки использовались автоматизированные сварочные системы; и для того, чтобы увеличить скорость сварки или наплавку, всегда прибегали к работе на нескольких дугах. Однако в большинстве случаев число дуг было ограничено двумя.

Опишем кратко традиционную систему для сварки двумя дугами. Ведущая дуга, питаемая, как правило, источником постоянного тока, расположена впереди сварочной ванны. На электрод подается постоянный ток положительной полярности, что обеспечивает большую глубину проплавления основного металла или наплавленного металла шва. Ведомая дуга создается источником переменного тока. Обе дуги образуют одну общую сварочную ванну. Вокруг каждой из дуг наводятся электромагнитные поля, вызывающие отклонение соседней дуги. Чтобы исключить влияние дуг друг на друга, ведомая дуга обязательно должна работать на переменном токе.

Полярность ведомой дуги, а соответственно, и направленность магнитного поля меняются с частотой питающей сети — 50 раз в секунду. Таким образом, воздействие дуг друг на друга удается если и не устранить полностью, то хотя бы свести к минимальному приемлемому уровню, который уже можно контролировать.

Другим положительным фактором применения дуги на переменном токе является коэффициент наплавки. Во время подачи постоянного тока отрицательной полярности происходит предварительный прогрев вылета электрода, поэтому при прямой полярности тока, как правило, коэффициент наплавки на 30% выше, чем при положительном. При подаче переменного тока, когда полпериода подается ток положительной полярности (DC+), а вторую половину периода ток отрицательной полярности (DC-), коэффициент наплавки увеличивается на 15%.

Таким образом, сварка выполняется при одновременной работе двух дуг, одна из которых работает на постоянном токе, а вторая на переменном, чтобы снизить взаимное влияние, и при этом коэффициент наплавки составляет на 15% больше, чем при сварке на постоянном токе.

Следующим этапом стала задача подключения третьей и последующих дуг и оптимизации результирующего сварочного процесса. К сожалению, ввод в систему уже третьей дуги приводит к возникновению новых проблем, связанных с взаимовлиянием дуг и обеспечением контроля за сварочной ванной. Для того чтобы минимизировать это влияние в системе из трех дуг, третья дуга должна работать на переменном токе, но со сдвигом фазы относительно второй дуги. Единственным способом решения этой задачи было включение источников по схеме Скотта. При правильном выборе параметров второго трансформатора такая схема подключения обеспечивала постоянный сдвиг фаз между дугами. Ограничивающим фактором являлось то, что настойки зависели от состава аппаратного оборудования, и любое изменение синхронизации фаз вело к длительной и дорогостоящей переналадке трансформатора. С практической точки зрения это означало, что настройка системы выполнялась один раз, при пусконаладочных работах, и затем уже не менялась. Если сварочный процесс, необходимый для сварки нового или модифицированного изделия, требовал перенастройки — возникала серьёзная проблема, в значительном числе случаев решавшаяся созданием новой сварочной линии.

Источник переменного тока очень часто был первым ограничивающим фактором для данного сварочного процесса. Принцип работы источника переменного тока заключался в том, чтобы изменять напряжение и ток сети питания в соответствии с установленными значениями сварочных параметров. При этом частота сварочного тока оставалась такой же, как в сети питания 50 Гц, а для того чтобы разные токи не накладывались друг на друга, источник работал только на одной фазе. Вследствие этого входной ток, необходимый для источника, составлял порядка 260 А на одной фазе при питании от сети переменного тока напряжением 380 В. Конструктивные особенности сети питания накладывали ряд ограничений на мощность потребления. Все сказанное выше демонстрирует возможности сварки под флюсом на нескольких дугах, но также отражает недостаточную гибкость этого процесса. Именно по этой причине большинство предприятий, использующих оборудование для сварки под флюсом для выполнения самых разных задач, не спешат вкладывать средства в развитие технологий сварки на трех и более дугах.

Учитывая все вышесказанное и принимая во внимание огромные преимущества от внедрения в производство гибких технологических процессов, компания Lincoln Electric разработала новый тип источника для дуговой сварки под слоем флюса, PowerWave® AC/DC 1000.

PowerWave® AC/DC 1000 – инвертор, оснащенный цифровой системой управления, которая предоставляет все необходимые возможности управления сварочным прцессом путём задания различных эпюр переменного и постоянного сварочного тока без необходимости изменения аппаратной конфигурации. Изменение полярности сварки, переключение на другой диапазон входного напряжения или передача данных по шинам связи при изменении параметров – все эти операции осуществляются без переключения кабелей. Новые возможности по созданию гибкого и высокоэффективного производства и оптимизации технологических процессов открываются благодаря полному доступу к регулированию следующих параметров:

  • Падающая или жесткая вольтамперная характеристика
  • Прямоугольная или синусоидальная форма токовой кривой
  • Диапазон регулировки частоты от 10 до 100 Гц
  • Регулировка баланса, то есть соотношения длительности положительного и отрицательного полупериода волны
  • Смещение нулевой точки токовой кривой для изменения амплитуды отрицательного или положительного полупериода волны
  • Оптимизированная процедура зажигания дуги, исключающая нестабильность дуги при работе на переменном токе, а также на постоянном токе отрицательной полярности.
  • Регулировка сдвига фаз между дугами (до четырех дуг стандартно) во всем диапазоне от 0° до 359°.
  • Цифровая связь между блоком управления, сварочным источником и механизмом подачи проволоки.

​Теперь раскроем каждый из пунктов подробнее и укажем его основные достоинства. Многочисленные комбинации этих параметров позволяют создавать уникальные решения, оптимизируя сварочную процедуру для каждого конкретного случая.
Прямоугольная или синусоидальная форма токовой кривой:

Для наглядной демонстрации преимуществ волны прямоугольной формы по сравнению с синусоидальной формой волны изобразим обе токовых кривых на одном графике.

При частоте переменного тока 50 или 60 Гц волна пересекает ноль соответственно 100 или 120 раз в секунду. Таким образом, переход из одной полярности в другую в обоих случаях совершается теоретически с одинаковой частотой. Однако время перехода через ноль (а точнее, время перехода через некоторую зону около нуля, в которой отмечается нестабильность дуги) у волны прямоугольной формы значительно меньше, поэтому устойчивость дуги при использовании прямоугольной формы волны значительно выше. 

Еще одно преимущество прямоугольной формы волны становится очевидным при регулировке частоты. По мере изменения частоты волны переменного тока меняется длительность околопиковых значений, а также время перехода с одной полярности на другую. При этом волна прямоугольной формы снова имеет преимущества по сравнению с синусоидальной. Кроме того, чем больше площадь на графике под волной, тем больше энергия, полученная дугой. От этого напрямую зависит коэффициент наплавки, глубина проплавления и, как уже говорилось выше, устойчивость дуги. 

На практике регулировка частоты переменного тока служит для изменения формы зоны проплавления при выполнении угловых или стыковых сварочных швов, а также при сварке тонколистового металла. Продемонстрируем это на типичном примере. 

Угловой шов: сварка проволокой диаметром 4 мм, сварочный ток 525 А, смещение нулевой точки волны: 25% положительный полупериод, 10% отрицательный полупериод, скорость сварки 83 см/мин.

Баланс положительного и отрицательного полупериода волны:

Функция баланса позволяет изменять время, в течение которого дуга запитана положительным/отрицательным потенциалом. Величина баланса определяется как доля положительного полупериода по отношению к длительности периода волны и выражается в процентах.

Например, на приведенной схеме волна черного цвета имеет баланс 50%, а волна красного цвета – 25%.

Изменяя соотношение положительного и отрицательного полупериода волны, оказывается возможным изменять соотношение между фазами наплавки и проплавления. Чем меньше величина баланса (%), тем больше коэффициент наплавки и меньше глубина проплавления. Таким образом, с помощью данной функции можно избегать прожогов и изменять коэффициент наплавки, а также создавать новые способы увеличения скорости сварки без изменения общей погонной энергии.

Смещение нулевой точки для изменения положительной и отрицательной амплитуды волны:

Это очень мощный инструмент, позволяющий увеличить фазу проплавления или наплавки. Система Power Wave AC/DC 1000 позволяет смещать нулевую точку в пределах от -25% до +25%.

Смещение нулевой точки позволяет увеличить амплитуду положительного или отрицательного полупериода волны по сравнению со сбалансированной волной, где эти величины одинаковы. Это также можно представить, как наложение на обычную волну постоянного тока отрицательной или положительной полярности.

Увеличение положительной амплитуды волны (+25%) соответствует увеличению постоянной составляющей тока положительной полярности, и соответственно, ведет к более высокому проплавлению; а при смещении нулевой точки в противоположную сторону (-25%) увеличивается наплавка и снижается проплавление.

Регулировка сдвига фаз между дугами (до четырех дуг стандартно) во всем диапазоне от 0° до 359°:

Цифровое управление позволяет устанавливать определенный сдвиг фаз между дугами.

Система PowerWave AC/DC 1000 позволяет изменять сдвиг фаз во всем диапазоне от 0° до 359°.

Это одно из самых главных достоинств источников PowerWave AC/DC 1000. С введением этой функции появилась возможность временно объединять две и более машин в единую сварочную систему для выполнения конкретной сварочной задачи, а после завершения работ использовать каждый источник самостоятельно. Такая высокая гибкость оборудования позволяет оптимизировать процесс и значительно повысить производительность оборудования.

На диаграмме слева изображен сдвиг фаз на 90°. Такой способ обычно используется при работе на двух дугах. В данном случае переход одной волны через ноль совпадает с пиковым значением другой волны, что существенно снижает взаимное влияние
                                                                          сварочных дуг друг на друга.

При сдвиге фаз на 180° очевидно, что обе дуги будут иметь максимальное влияние друг на друга, так как их волны достигают пиковых значений одновременно.

Стандартный интерфейс системы Power Wave AC/DC 1000 позволяет настроить сдвиг
                                                                          фаз для работы на 4 дугах, так чтобы они не
                                                                          влияли друг на друга.

Цифровая связь:

Вся архитектура системы PowerWave построена на протоколе цифровой связи. Передача любых данных осуществляется в цифровом, а не в аналоговом формате, что имеет целый ряд преимуществ. Достаточно назвать отсутствие потерь и искажений сигнала при передаче данных, малое время отклика, ненужность калибровки. Все передаваемые данные регистрируются в памяти, что позволяет получить значение любого параметра, выполнить диагностику машины, установить пределы, в которых можно изменять те или иные параметры, задать условия тревожного оповещения или даже отправить по электронной почте статистический отчет и любую другую необходимую информацию.

Примеры применения сварочного источника PowerWave AC/DC 1000:

a) Сварка одной дугой:

Благодаря индивидуальной настройке дополнительных функций, доступных на PowerWave AC/DC 1000, глубина проплавления или скорость наплавки всегда превосходят аналогичные значения традиционных источников.

Правильный выбор функций и надлежащая настройка всех параметров позволяют оптимизировать работу источника, более экономно расходовать энергоресурсы и значительно улучшить качество швов.

Что касается скорости наплавки, а значит, и производительности сварки, то график наглядно демонстрирует все преимущества комбинирования разных функций для достижения наилучшего результата.

Например, при сварке на одном и том же сварочном токе 800 А система PowerWave AC/DC позволяет увеличить скорость наплавки на 4,7 кг/час,  то есть почти на 43%.

При описании новой технологии сварки под флюсом нельзя не затронуть вопрос о надежности такой сварки и влиянии технологических изменений на механические свойства шва. Фактически, повышение скорости наплавки обеспечивает значительное увеличение скорости сварки, снижение погонной энергии на каждом проходе, получение отличных механических свойств в основном металле или в зоне термического влияния. Сравним результаты, полученные при выполнении двух различных сварочных процедур (сварки на переменном токе с волной прямоугольной формы и сварки на постоянном токе положительной полярности) с использованием электрода S2Si на токе 600 А. Сварка выполнялась на пластинах толщиной 20 мм:

Под общей подачей понимается подача, необходимая для заполнения шва за один проход. Она рассчитывается как отношение скорости подачи к количеству проходов.

 

 

 

 

 

* Испытания выполнены в соответствии с требованиями по AWS.

Сравнение результатов сварки с применением двух различных сварочных процедур:

  1. Снижение погонной энергии на каждый проход более, чем на 16%
  2. Увеличение общей скорости сварки на 43%
  3. Увеличение скорости наплавки на 40%
  4. Сохранение отличных механических свойств шва

И для этого достаточно использовать вместо сварки на постоянном токе положительной полярности сварку на переменном токе с волной прямоугольной формы.

  • Такие же результаты можно получить при сварке угловых швов при условии правильной настройки всех параметров:

​Изображенные на фотографиях угловые сварные швы с катетом 8 мм практически не отличаются по величине сварочного тока, но скорость сварки на переменном токе на 40% выше. При этом оба шва имеют великолепную форму.

b) Работа на нескольких дугах:

Используя технологию УФСТ, удалось создать уникальный сварочный комплекс для сварки кольцевых толстостенных труб из высокопрочной стали К65 на базе двух процессов STT и двухдуговой сварки под слоем флюса переменным током прямоугольной формы. Процесс STT обеспечивает качественный корневой шов, причем толщина наплавленного металла составляет 2.5-3 мм. Благодаря широчайшим возможностям источника сварочного тока PowerWave AC/DC 1000 в выборе режимов сварки, появилась возможность производить сварку под слоем флюса двумя дугами в одну ванну непосредственно по корневому шву без дополнительного усиливающего прохода не рискуя прожечь тонкий корневой шов. Таким образом, сварка всего стыка от корневого прохода до облицовочного производится на одной сварочной станции без затрат времени на перемещение трубной секции на другую станцию сварки. Большой вклад в решение проблемы сварки высокопрочных труб внесла возможность технологии УФСТ контролировать уровень тепловложения в сварочную ванну, т.к. качество сварного соединения труб из высокопрочной стали во многом зависит от этого фактора. При этом есть возможность контролировать уровень тепловложения непосредственно во время сварочного процесса, поскольку источник сварочного тока обладает программно-аппаратными средствами для его мониторинга, а также записи всех сварочных параметров.

Помимо отличных свойств сварного соединения в целом, сварочный комплекс дает выигрыш в производительности по сравнению с традиционным методом сварки под слоем флюса практически в два раза.

Такие сварочные комплексы успешно используются ведущими российскими строительными организациями, такими как Страйгазконсалтинг на проекте Бованенково-Ухта, труба класса прочности K65 1420x27,7 мм и Сварочно-Монтажный трест на проекте СЕГ, труба класса прочности К60 1420х25 мм, а также рядом других подрядных строительных организаций на проекте нефтепровод ВСТО.

С созданием сварочного источника PowerWave® AC/DC 1000 на основе технологии УФСТ появились дополнительные возможности по повышению качества, производительности и снижению производственных затрат при дуговой сварке под флюсом. Сегодня мы открываем новую эру и внедряем инновационную технологию, раздвигая границы, установленные много десятилетий тому назад. Однако нет никаких сомнений в том, что опыт, знания и настоящий профессионализм инженеров-сварщиков позволят в очень скором времени открыть и более далекие горизонты.

 

Двта публикации: 03.09.13

Наши партнеры:

© Все права защищены международным законодательством об авторском праве. Логотипы и фотоматериалы принадлежат их законным владельцам.

Аргус Лимитед ООО
65031, Украина, г. Одесса
ул. Грушевского 39е, 4 эт, оф. 25
т.ф.: +38 (048) 729-63-53
info@arguslimited.com.ua