Wydział Metali Nieżelaznych Kraków 27,04,2005 r.

Przeróbka Plastyczna

III rok gr.1

Metody wytwarzania rur ze szwem

Mirosław Leśniewski

Tomasz Lewandowski

Ireneusz Ludwik

ZGRZEWANIE PRĄDAMI WYSOKICH CZĘSTOTLIWOŚCI

Zgrzewanie indukcyjne jest procesem zgrzewania elektrycznego oporowego prądami dużej wielkiej częstotliwości polegający na zjawisko nagrzewania się przewodników elektrycznych umieszczonych w zmiennym polu elektromagnetycznym na skutek powstawania w nich prądów wirowych i histerezy magnetycznej. Prąd dużej częstotliwości płynie z maksymalną gęstością w warstwach powierzchniowych metalu (zjawisko naskórkowości), co pozwala w ciągu krótkiego czasu na koncentrację energii cieplnej na powierzchniach zgrzewanych krawędzi. W wyniku tego nagrzewana jest bardzo cienka warstwa metalu na powierzchniach przeznaczonych do zgrzewania. W punkcie zgrzewania następuje docisk walców (rolek).

Zasadniczymi częściami urządzenia do zgrzewania są: generator wielkiej częstotliwości, obwody pośredniczące oraz wzbudnik.

Zgrzewanie może odbywać się albo liniowo-doczołowo z indukcyjnym doprowadzeniem prądu, albo liniowo-doczołowo ze stykowym doprowadzeniem prądu. Zgrzewanie rur o małych średnicach (np. na nasz układ wydechowy) odbywa się za pośrednictwem metody zgrzewania z indukcyjnym doprowadzeniem prądu. Dzięki tej metodzie możemy zgrzewać wzdłużnie rury o średnicach 10 ÷ 600 mm i grubości ścianki 0,25 mm ÷ 12 mm z prędkościami 10 ÷ 150 m/min. Gdybyśmy chcieli zastosować tą metodę do zgrzewania rur o większych średnicach należałoby zastosować dwie zgrzewarki: zewnętrzną (induktor zewnętrzny) i wewnętrzną (induktor wewnętrzny).

Proces zgrzewania indukcyjnego prądami o częstotliwościach 100 ÷ 500 kHz prowadzony jest w różnych temperaturach, co niesie za sobą konieczność stosowania odpowiednio różnych wielkości docisku jednostkowego spęczania. I tak np.:

- dla temperatury 1300 ÷ 1400 ^ºC - jednostkowy stopień spęczania 50 MPa - stale niskowęglowe,

- dla temperatury powyżej 1400 ^ºC, ale poniżej temperatury topnienia - jednostkowy stopień spęczania 20 ÷ 30 MPa (stale niskowęglowe),

- dla temperatury powyżej temperatury topnienia - jednostkowy stopień spęczania 20 ÷ 30 MPa (stale stopowe)

Złącza otrzymane za pomocą tego rodzaju zgrzewania, przebiegającego bardzo stabilnie, charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami mechanicznymi. Mała strefa nagrzania i nieznaczne zmiany strukturalne w stosunku do materiały rodzimego kwalifikują rury zgrzewane do klasy jakości rur bez szwu.

W linii produkcyjnej do wytwarzania rur ze szwem zachodzi kilka procesów w skutek, których otrzymujemy gotowy wyrób o zadanych parametrach. Wszystkie procesy są nadzorowane komputerowo. Stosuje się tzw. komputerowe wspomaganie procesu zgrzewania. Parametry robocze takie jak: temperatura, docisk, dane elektryczne i prędkość zgrzewania podawane są w sposób ciągły do komputera sterującego. Operator komputera ma możliwość ciągłego śledzenia parametrów i porównywania ich z rzeczywistymi tolerancjami. Operator może regulować parametry potrzebne do zgrzania danego materiału, z czego najważniejszym parametrem jest temperatura zgrzewania. Wahania temperatury są ograniczone do ± 25ºC. O jakości złącza decyduje temperatura, czas, a więc prędkość pasma oraz siła docisku zgrzewanych krawędzi. Z prędkości wynika również wydajność procesu.

Przebieg wytwarzania rur stalowych zgrzewanych indukcyjnie można podzielić na następujące etapy:

1. Rozwijanie szerokiej taśmy (walcowanej na gorąco)

2. Rozcinanie taśmy na wąskie pasma i perforowanie na pionowej gilotynie

3. Formowanie rury szczelinowej w klatkach rolkowych

4. Zgrzewanie indukcyjne rury i obróbka termiczna złącza

5. Usuwanie wypływki

6. Kalibrowanie i prostowanie

7. Cięcie

8. Kontrola jakości

Schemat linii produkcyjnej rur stalowych ze szwem zgrzewanych indukcyjnie:

1 - rozwijarka; 2 - rolki prowadzące; 3 - nożyca gilotynowa i zgrzewarka końców taśmy; 4 - kompensator;

5 - rolki prowadzące; 6 - głowica drukująca. 7 - rolki prowadzące 8 - układ usuwania powłoki z krawędzi taśmy; 9 i 10 - zespół walców formujących napędzanych i nienapędzanych; 11 i 12 - układ zgrzewania; 13 - układ usuwania wypływki; 13 - układ chłodzenia; 14 i 15 - walce kalibrujące nienapędzane i napędzane,

16 - defektoskop; 17 - głowica kalibrująca; 18 - czujnik drogi, 19 - piła.

Przygotowanie taśmy

Bardzo ważnym procesem w produkcji jest przygotowanie taśmy. Ma to duży wpływ na późniejszą jakość zgrzeiny. Chodzi tu o przygotowanie krawędzi taśmy (jakość zgrzeiny, jej równomierność), ale i o perforację. Taśma jest rozcinana po rozwinięciu z kręgu, co powoduje, że krawędzie taśmy trzeba poprawić i wyrównać. Ważne jest też to, aby taśma cały czas podawana była w sposób ciągły, co odbywa się dzięki zastosowaniu nowoczesnemu magazynowi taśmy. Krawędzie obrabiane są perfekcyjnie za pomocą narzędzi frezujących. Brzegi muszą być nieodkształcone i równomiernie obrobione. Taśma formowana jest w klatkach rolkowych przy zastosowaniu bardzo małych kroków odkształcenia, co zapewnia miękkie, elastyczne formowanie bez zawijania brzegów. Taki sposób formowania zapewnia optymalną geometrię krawędzi taśmy w obrębie złącza.

Po rozcięciu taśmy na wąskie pasma zostaję ona oznakowana, co pozwala na późniejszą identyfikację w razie wad. Wiadomo skąd taśma była sprowadzana wiemy, który konkretnie krąg taśmy był wadliwy.

Rozcinanie szerokiej taśmy i perforowanie

Formowanie rury szczelinowej

Zgrzewanie indukcyjne

Zgrzewanie uprzednio przygotowanej taśmy odbywa się metodą indukcyjnego zgrzewania dociskowo - oporowego, przy czym prąd zgrzewający doprowadzany jest do krawędzi taśmy stalowej bezstykowo poprzez induktor pierścieniowy lub stykowo.

Schemat zgrzewania poprzez induktor pierścieniowy.

1- rura szczelinowa, 2 - induktor, 3 - rolki dociskające, 4 - impeder

Prąd wysokiej częstotliwości bardzo szybko nagrzewa wąską strefę krawędzi taśmy do temperatury zadanej przez operatora. Równomiernie nagrzane brzegi taśmy zostają połączone pod naciskiem regulowanych walców dociskowych bez użycia dodatkowych materiałów.

Wypływka wewnętrzna i zewnętrzna zostaje usunięta przy użyciu skrobaków.

Zgrzewanie

Usuwanie wypływki zewnętrznej i wewnętrznej

Indukcyjna obróbka cieplna złącza

Bezpośrednio po procesie zgrzewania obszar złącza jest obrabiany cieplnie za pomocą kilku ustawionych rzędowo induktorów. Induktory prowadzone są dokładnie środkiem zgrzeiny za pomocą optycznej linii pilotującej. Na bieżąco mierzona i podawana do komputera sterującego jest temperatura. Pozwala to na utrzymanie temperatury wyżarzania w wąskich (zaprogramowanych uprzednio polach tolerancji) granicach. Każda odchyłka temperatury poza granice jest znakowana automatycznie farbą na rurze.

Obróbka cieplna obszaru zgrzeiny gwarantuje, że właściwości mechaniczno - technologiczne zgrzeiny odpowiadają wymaganym właściwościom materiału wyjściowego. Często stosuje się podwójne wyżarzanie złącza. Dzięki obróbce cieplnej zgrzany obszar przekształca się w strukturę podobną jak w materiale podstawowym. Warunki obróbki cieplnej muszą być precyzyjnie kontrolowane, gdyż od tego zależy jakość uzyskanych rur. Proces obróbki cieplnej odbywa się za pomocą całkowicie zautomatyzowanemu układu sterowania.

Kalibrowanie, prostowanie, cięcie i obróbka końców

Ciąg rur jest dokładnie prostowany i wyokrąglany na maszynach kalibrująco - prostujących. Współbieżne urządzenie do cięcia rur tnie następnie ciąg rur na żądane długości.

Przy tej metodzie cięcia głowica frezarska z nożami z węglików spiekanych jest prowadzona ekscentrycznie wokół osi. Noże przecinają rurę przy zachowaniu stałego przekroju skrawania. Przy użyciu bardzo dokładnie działającej hiperboloidalnej maszyny prostującej następuje dodatkowy proces prostowania.

Obróbka końców następuje na pracujących automatycznie ukosowarkach z urządzeniem kopiującym.

Kalibrowanie

METODA SPAWANIA TIG

W metodzie TIG (zwanej też GTAW — Gas Tungsten Arc Welding) jest stosowana nietopliwa elektroda wolframowa. Elektroda, łuk i obszar przyległy do jeziorka ciekłego metalu są chronione przed atmosferą przez obojętny gaz osłonowy argon lub hel.

Gaz doprowadzany jest przez palnik także do wnętrza rury i zwany jest gazem wspierającym, ponieważ pomaga w podtrzymaniu roztopionych cząstek materiału w stanie krzepnięcia tzw. jeziorko spawalnicze. Łuk jest podatny na oddziaływanie mechaniczne, dlatego jest generalnie wskazane, aby rolki ściskające były wykonane z materiałów niemagnetycznych, np. brązu.

Rury szczelinowe przechodzą z walcarki kształtującej do automatu spawalniczego z głowicą, wyposażoną w elektrodę wolframową. Między elektrodą a brzegami zwiniętej rury szczelinowej, jarzy się łuk elektryczny, będący źródłem ciepła. Powstający płynny metal spoiny, chroniony jest od dostępu atmosfery strumieniem gazu obojętnego. Rolki dociskowe powodują nieznaczne spęczanie topionych krawędzi i ich spawanie. Do spawania stali nierdzewnej i kwasoodpornej stosowany jest argon o czystości 98-99%.Doprowadzenie argonu do wnętrza rury pod ciśnieniem 0,2-1 bara przyczynia się do zmniejszenia wypływu spoiny wewnętrznej, a do zewnętrznej osłony jeziorka ciekłego metalu pod ciśnieniem 0,2-0,5 bara. Do produkcji rur o średnicach od 5 do 114 mm używane są elektrody wolframowe o średnicach od 3 do 5 mm.

Za pomocą metody TIG uzyskuje się czyste, wysokiej jakości złącza. Ponieważ w procesie nie powstaje żużel, jest wyeliminowane ryzyko zanieczyszczenia spoiny jego wtrąceniami, a i gotowa spoina praktycznie nie wymaga żadnego czyszczenia. Metoda ta nadaje się do spawania niemal wszystkich metali, przy czym proces może być prowadzony ręcznie lub w sposób zautomatyzowany. Metoda TIG jest najczęściej stosowana do spawania stopów aluminium oraz do spawania stali nierdzewnych, gdzie jednorodność złącza ma szczególne znaczenie.

Schemat spawania metodą TIG

Przykładowa spoina wykonana metodą TIG

WYTWARZANIE RUR ZE SZWEM METODĄ LASEROWEGO SPAWANIA

Uzyskanie gwarantowanego złącza w klasycznych technologiach zgrzewania lub spawania zawsze stwarza problemy, tym większe, im większa średnica i mniejsza ścianka rury. Nie wszystkie materiały wykazują wystarczającą podatność do zgrzewania, pojawia się problem zanieczyszczeń i utleniania, zasięg strefy wpływu ciepła podczas zgrzewania albo przetopienia jest stosunkowo duży, pojawiają się wypływki, jakość złącza jest niepewna.

Idealnym rozwiązaniem niektórych problemów jest wprowadzenie spawania laserowego. Duża gęstość mocy, rzędu 10⁷- 10⁹ W/mm², gwarantuje:

- spawanie materiałów trudnych do łącznie innymi technikami

- wytwarzanie złożonych, zamkniętych kształtowników, niemożliwych lub trudnych do uzyskania standardowymi technologiami przeróbki plastycznej

- małą szerokość spoiny i niewielką strefę wpływu ciepła, a w efekcie niewielki, w porównaniu z innymi technologiami spawania lub zgrzewania, obszar materiału, gdzie mogą powstawać naprężenia termiczne i zmiany strukturalne

- wysoką jakość spoiny, w tym małą ilość tlenków i zanieczyszczeń, brak porowatości, szczelność rury

- małą wypływke

- spawanie rur cienkościennych, precyzyjnych bez deformacji kształtu i wprowadzania wad powierzchni

- produkcję rur „na gotowo” bez obróbki związanej z wypływką i obróbki powierzchniowej

- stosunkowo dużą wydajność

- stosunkowo łatwą automatyzację procesów.

Spawanie laserowe polega na stopieniu fragmentów łączonych materiałów energią cieplną pochodzącą od skoncentrowanej wiązki laserowej. Wiązka promieniowania laserowego doprowadzana jest do miejsca oddziaływania z łączonymi materiałami. Koncentracja gęstości mocy promieniowania zapewniająca swobodne roztapianie dwóch łączonych materiałów powinna przekraczać wartości 106 W/ cm².

Zasada spawania wiązką lasera jest zobrazowana na rysunku

Wyróżniamy lasery:

1. CO₂

2. NdYAG

3. Diodowe

Laser jako narzędzie spawania

Ośrodkiem czynnym lasera NdYAG jest pręt z granatu itrowo- aluminiowego (Y₃Al₅O₁₂). Lasery te pobudzane są za pomocą lamp ksenonowych, kryptonowych lub laserów diodowych. Do przesyłania wiązki laserowej w tym przypadku używane są światłowody, dzięki temu, lasery te, można stosować w przypadkach, gdy spoina jest pewną krzywą w przestrzeni trójwymiarowej. Dzięki giętkości światłowodu, głowice spawającą można zamontować na manipulatorze robota i realizować skomplikowane spoiny lub cięcia 3D. Można je stosować do spawania metali kolorowych.

Ośrodkiem czynnym lasera CO₂ jest dwutlenek węgla. Lasery te są pobudzane za pomocą wyładowań wysokiego napięcia stałego lub zmiennego, wysokiej częstotliwości i napięcia rzędu kilkunastu kV. Do transportu wiązki laserowej stosuje się zestaw rur z przegubami, w których zamocowane są zwierciadła. Lasery te najlepiej nadają się do prostoliniowego cięcia i spawania. Nadają się do spawania stali. W przemyśle są bardzo popularne, dzięki niższym kosztom inwestycyjnym w stosunku do laserów NdYAG. Niższe są również koszty eksploatacyjne. Posiadają bardzo dobrą jakość wiązki.

W przypadku laserów diodowych wiązka jest realizowana poprzez skupienie światła kilkuset półprzewodnikowych diod laserowych. Lasery te mają niską jakość wiązki i stosunkowo małą moc. Nadają się jedynie do napawania, lutowania, spawania z jeziorkiem lub też obróbki cieplnej wybranych fragmentów wyrobu, w szczególności powierzchniowej.

Moc lasera dobiera się do materiału, grubości ścianki i prędkości liniowej spawania (wydajności).

Wymagania w odniesieniu do wybranych elementów systemu produkcyjnego

Użycie precyzyjnego narzędzia spawania, jakim jest laser daje możliwość spełnienia poszczególnych wymagań dotyczących jakości wyrobu, ale równocześnie narzuca szereg wymagań w stosunku do wsadu, elementów linii technologicznej i parametrów jednostkowych procesów.

1. Wymagania w odniesieniu do jakości taśmy wsadowej.

Taśma powinna gwarantować nie tylko oczekiwaną jakość powierzchni, małe zróżnicowanie grubości ścianki i własności mechanicznych, ale z punktu widzenia procesu przede wszystkim powinna zapewnić dopasowanie krawędzi rury szczelinowej w strefie spawania i stabilność położenia szczeliny względem wiązki. Wymagania dotyczą, więc płaskości, sierpowatości, stabilności grubości na szerokości i długości, stabilności własności mechanicznych, jakości krawędzi cięcia. Wymagania w stosunku do krawędzi cięcia przenoszą się na wymagania w stosunku do procesu rozcinania. Problemy z zapewnieniem stabilności położenia szczeliny są tym większe im cieńsza jest ścianka i większa średnica rury oraz wyższe własności wytrzymałościowe i większe zróżnicowanie jakościowych cech taśmy.

2. Wymagania w odniesieniu do układu formowania rury szczelinowej.

Kalibrowanie układu formującego, a więc rozkład prędkości, średnic walców ich kształtu, w skutku odkształceń powinno zapewnić stabilne dopasowanie krawędzi, bez nadmiernych poślizgów taśmy między walcami formującymi. Poślizgi mogą wpłynąć na jakość powierzchni pasma i z tego powodu wymagania dotyczą również materiału narzędzi i systemu ich chłodzenia. Należy tu podkreślić, że w linii laserowego spawania niedopuszczalne jest stosowanie emulsji chłodząco- smarujących. Co prawda odkształcenia podczas formowania rury szczelinowej są niewielkie i w przypadku materiału w stanie miękkim tylko część włożonej energii mechanicznej zamieni się na ciepło, ale jest to proces ciągły.

3. Wymagania w odniesieniu do lasera.

Wymagania dotyczą kilku podstawowych parametrów:

- mocy, dopasowanej do wymiarów rury i oczekiwanej wydajności linii

- sprawności

- skuteczności układu chłodzenia

- jakości wiązki laserowej (np. mod, stabilności mocy)

- obsługiwalności

- żywotności

- dostępności elementów i mediów

- kosztów eksploatacji

- sterowalności

- jakości i szybkości serwisu

4. Wymagania w odniesieniu do układu sterowania wiązki lasera i śledzenia położenia szczeliny.

Wymienione w pkt. 2 i 3 przyczyny niestabilności położenia szczeliny względem wiązki wymuszają konieczność stosowania układów pomiaru położenia szczeliny i regulacji położenia wiązki. Wymagania w tym zakresie należy skojarzyć z rzeczywistymi warunkami występującymi w linii i dopasować układy sterowania wiązki do wydajności linii.

5. Wymagania w odniesieniu do procesów wykańczających.

Są to procesy cięcia, obróbki powierzchni, formowania wiązki. Wymagania wynikają z faktu, że będą to rury cienkościenne o wysokiej jakości powierzchni.

6. Wymagania w odniesieniu do kontroli i badań wyrobów.

Dotyczą dostawców i procesów przygotowania wsadu. Kontrola wewnętrzna, wyrywkowa wsadu musi obejmować kształt, wymiary, mikrogeometrię, własności, skład chemiczny- w sensie wartości i stabilności. Kontrola wyrobu oprócz kształtu, wymiarów, jakości powierzchni musi dotyczyć spoiny. W odniesieniu do stali austenitycznych, ze względu na niebezpieczeństwo korozji wżerowej szczególnie w obecności jonów chloru, konieczne będą badania odporności korozyjnej.

Zakres wdrożenia i ważniejsze prace w ramach przedsięwzięcia

Przewiduje się produkcję rur o średnicach 12- 60 mm i grubości ścianki 1- 2 mm ze stali wysokostopowych austenitycznych i ferrytycznych oraz stopów niklu, chromu a w przyszłości innych. Rury spawane laserowo mogą znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach.

Motoryzacja- elementy układów wydechowych, wyposażenie

Techniki pomiarowe- elementy termopar, osłony ochronne

Przemysł chemiczny- elementy armatury, reaktorów

Budownictwo- wymienniki ciepła, grzejniki, podgrzewacze wody

Formy architektoniczne- elementy dekoracyjne, meble, wyposażenie lokali

Wyposażenie medyczne- instalacje, aparatura

Przemysł stoczniowy- wyposażenie, armatura

Przemysł kablowy- rury osłonowe.

Istotnym problemem jest zmiana struktury i własności w wyniku oddziaływania wiązki laserowej w strefie wpływu ciepła (SWC).

Spawanie bez względu na metodę jest związane z oddziaływaniem podwyższonej temperatury i przetopieniem pewnej objętości materiału. W klasycznych procesach spawania (np. plazmowego) i zgrzewania (np. z nagrzewaniem indukcyjnym) przetapiana objętość jest stosunkowo duża. Tym samym duży jest obszar wpływu strefy ciepła. W strefie tej dochodzi, do istotnych zmian własności w stosunku do pozostałej części rury. W przypadku stali niestopowych problem ten może się sprowadzać do odpowiedniej wytrzymałości złącza i ewentualnie plastyczności, jeśli rura jest przetwarzana, np. podlega gięciu lub roztłaczane lub wywijane są kołnierze. W przypadku stali stopowych, przede wszystkim austenitycznych, pojawiają się jeszcze uwarunkowania związane z odpornością korozyjną. Materiał rury jest odkształcony, występują naprężenia wewnętrzne a w spoinie materiał jest przetopiony. W pewnych zastosowaniach stan taki może być powodem osłabienia odporności na korozję wżerową.

---