СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПОВОРОТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ШВОВ ТРУБОПРОВОДОВ
METHOD OF ELECTRIC ARC WELDING OF FIXED GIRTH SEAMS AT PIPELINES

Изобретение относится к дуговой сварке и может быть использовано в различных отраслях промышленности при сварке заполняющих слоев стыковых соединений больших толщин плавящимся электродом в среде защитных газов, преимущественно для сварки неповоротных кольцевых швов трубопроводов.
Известен способ сварки толстолистового металла в разделку со скосом кромок (Патент на изобретение №1543724, МПК B23K 9/16, опубликованный 30.09.94), в котором электрод устанавливается под углом к свариваемому изделию и с заданной скоростью совершает продольные и маятниковые поперечные колебания, ограниченные трапецеидальным контуром разделки, а также шаговое перемещение вдоль шва, при этом сварку выполняют, перемещая электрод от середины вершины до середины корня разделки, непрерывно чередуя маятниковые поперечные и продольные колебания, при этом продольные колебания осуществляют с постоянным временным интервалом последовательно по одной и по другой линиям сплавления, поперечные колебания выполняют с заданной скоростью, а каждое последующее осуществляют со скоростью, равной конечной скорости предшествующего продольного колебания, затем от середины корня разделки скорость электрода увеличивают в два раза и осуществляют поперечное колебание вдоль корня разделки до линии сплавления и обратно до середины разделки, при этом при всех поперечных колебаниях вдоль корня разделки скорость подачи проволоки и напряжение на дуге увеличивают, затем на максимальной скорости, обеспечивающей устойчивое горение дуги, производят спуск электрода вдоль биссектрисы угла разделки на вершину разделки с одновременным шаговым перемещением в направлении сварки и со скоростью, в два раза превышающей заданную, осуществляют поперечное колебание электрода до линии сплавления в том же направлении, что и последнее колебание в корне, и обратно на биссектрису угла разделки, при этом в точках пересечения вершины разделки с линиями сплавления и биссектрисой угла разделки производят задержки перемещения электрода.
Известный способ позволяет повысить производительность путем совмещения операций заполнения разделки металлом и отделки вершины шва за один проход, а также качество сварки за счет исключения образования непроваров и подрезов. Однако большое количество разнонаправленных колебаний и движений электрода усложняет систему управления, передачу управляющих сигналов на электрод и конструкцию самого исполнительного механизма, что, в свою очередь увеличивает вероятность появления люфтов, которые будут иметь эффект роста, суммирования и приведут к быстрой потере настроенной точности движения. Кроме того, для обеспечения качественного сварного соединения необходима очень точная сборка под сварку с идеально выставленным зазором по всей длине шва, что практически невозможно достичь в условиях трассового строительства газо- и нефтепроводов.
А также при сварке по большему зазору до 6 мм возрастает объем наплавленного металла, и неизбежно будут возникать термические поводки, изменяющие параметры сборки, в том числе зазор стыка, которые в процессе сварки будут меняться и отличаться от первоначально установленных параметров. Вследствие этого требуется корректировка траектории движения электрода в процессе сварки.
При этом, выполняя продольные колебания электрода вдоль сварочной ванны, значительно меняется гидродинамика самой сварочной ванны, что приведет к усложнению контроля ванны в процессе изменения пространственного положения сварки. Известный способ используется преимущественно для сварки вертикальных швов. Не исключено, что при сварке неповоротных стыков трубопроводов, в частности при сварке швов в потолочном положении, наличие непроваров, несплавлений и подрезов. Кроме того, дополнительные управляющие параметры: скорость и амплитуда продольных колебаний, временные интервалы колебаний и т.д. и средства их реализации усложняют и утяжеляют исполнительный механизм, что приводит к невозможности быстрой настройки, требует специального подбора параметров настроек для каждого пространственного положения, каждой марки материала, что делает такой механизм неприменимым для сварки неповоротных стыков трубопроводов.
Известен способ сварки плавящимся электродом в среде защитных газов (Патент на изобретение №2120843, МПК B23K 9/09, опубликованный от 27.10.98), в котором на интервале короткого замыкания сварочный ток не увеличивают, а оставляют минимальным, затем после образования надежного контакта между сварочной ванной и каплей расплавленного металла на торце электрода, когда процесс перехода капли в сварочную ванну становится необратимым, пропускают дозированный импульс тока через дуговой промежуток, при этом электродинамическая сила ускоряет переход металла капли в сварочную ванну, причем окончание импульса тока происходит заведомо до окончания короткого замыкания.
Известный способ позволяет повысить качество сварного соединения, однако он представляет собой вариант сварки короткими замыканиями, при этом известно, что производительность сварки короткими замыканиями достаточно низкая и такой режим сварки применяют только лишь при сварке корневых швов, а заполнение разделки осуществляют на более производительных режимах, в том числе и с поперечными колебаниями.
Для обеспечения управляемого переноса металла через дуговой промежуток в сварочную ванну методом наложения дозированного импульса тока действительно получают удовлетворительный перенос электродного металла во всех пространственных положениях, однако это не исключает подрезы, наплывы и несплавления у пристенных валиков. Это объясняется тем, что при сложной геометрии разделки по поперечному сечению, отличием теплоотвода кромок в области корня и теплоотвода в области примыкания заполняющих слоев шва и, как следствие, условия формирования шва в этих областях тоже существенно отличаются. Переход электродного металла в процессе сварки при поперечных колебаниях между этими областями сопровождается возникновением нестационарных процессов. Совокупность таких особенностей является причиной возникновения указанных дефектов.
Наиболее близким по технической сущности является способ электродуговой сварки неповоротных кольцевых швов трубопроводов (см., Н.П. Алешин, Э.А. Гладков и другие. «Реализация адаптивных технологий сварки кольцевых стыков магистральных трубопроводов». Сварка и диагностика №5, 2011), включающий поступательные и поперечные колебания сварочной горелки с электродом с задержкой на кромках в положении 0-5 ч в течение 0,2 сек, в положении 5-6 ч - 0,6 сек, при этом проводят при помощи системы управления режимами сварки и позиционирования сварочной головки в соответствующей точке разделки адаптивную коррекцию базовых режимов сварки в зависимости от изменения геометрии стыка, в том числе зазора, ширины разделки в каждом слое, перекоса кромок и притупления, полученных на основе профилометрии геометрии стыка.
Известный способ за счет адаптивной коррекции базовых режимов позволяет повысить качество сварки трубопроводов. Задержка электрода на кромках разделки при поперечных колебаниях в известном способе, в какой-то мере, компенсирует потерю тепла дуги, вызванную повышенным теплоотводом свариваемых кромок. Однако он, как и вышеуказанный аналог, не исключает подрезов и наплывов, приводящих к несплавлению на кромках и зашлаковке образующихся при многослойной сварке карманов, что приводит к дефектам сварного шва. Дополнительно стоит отметить то, что адаптивная коррекция базовых режимов не учитывает неизбежно существующие и увеличивающиеся либо «плавающие» в процессе эксплуатации люфты в исполнительном механизме, обеспечивающем поперечные колебания сварочной горелки. Это повышает вероятность недостаточного или избыточного приближения электрода к кромке разделки даже после точной предварительной профилометрии геометрии стыка. При недостаточном приближении электрода к кромке разделки возникает наплыв и несплавление, при избыточном приближении - излишнее оплавление кромки малой дугой, вызывающее подрез.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества сварных соединений при сварке неповоротных кольцевых швов трубопроводов.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе электродуговой сварки неповоротных кольцевых швов трубопроводов, включающем поступательное движение и поперечные колебания сварочной горелки с задержкой электрода на кромках, коррекцию базовых режимов сварки в соответствующей точке разделки в зависимости от изменения геометрии стыка, согласно изобретению одновременно с задержкой электрода на свариваемых кромках накладывают импульсы напряжения и тока, увеличенные на 10-12% от установленных базовых значений, и длительностью, равной времени задержки электрода на кромке в положении 0-5 ч в течение 0,1-0,15 сек, в положении 5-6 ч в течение 0,4-0,5 сек.
Наличие импульсов напряжения и тока, увеличенных на 10-12% от установленных базовых значений, способствует оптимизации параметров режима сварки трубопроводов в любом пространственном положении, а также повышению качества сварного шва.
Наличие импульса напряжения способствует снижению чувствительности к точности приближения электрода к кромке разделки. При недостаточном приближении электрода к кромке разделки импульс напряжения дает более широкий охват дугой металла сварочной ванны, а импульс тока обеспечивает больший провар, не допуская образования несплавлений. В случае более близкого приближения электрода к кромке разделки за счет импульса напряжения выполняется более широкий охват кромки разделки, обеспечивая плавное оплавление кромки разделки, что исключает образование подреза. Наличие импульса тока обеспечивает расплавление оптимального количества электродного металла.
Снижение диапазонов времени задержки электрода на кромках по сравнению с прототипом, а именно в положении 0-5 ч - в пределах 0,1-0,15 сек, в положении 5-6 ч - в пределах 0,4-0,5 сек необходимо для компенсации увеличения параметров режима сварки от дополнительных импульсов напряжения и тока, т.е. для того, чтобы обеспечить одинаковое тепловложение как с импульсами, так и без них. Если совместно с наложением дополнительных импульсов время задержки в положении 0-5 ч будет более 0,15 сек, а в положении 5-6 ч - более 0,5 сек, то тепловложение окажется больше необходимого, что вызовет плавление большего количества металла и появление дефектов типа подрез, наплыв и несплавление. При времени задержки меньше 0,1 и 0,4 сек соответственно для каждого положения будет проявляться понижение тепловложения, снижение объема расплавляемого металла и, как следствие, нехватка его для качественного формирования шва.
Указанные диапазоны времени задержки электрода на кромках в совокупности с наличием импульса напряжения, обеспечивающего за счет более широкого охвата дуги плавный переход расплавленной ванны на основной металл и импульса тока, обеспечивающего расплавление требуемого количества электродного металла, обеспечивают лучшее примыкание металла шва к основному металлу, т.е. лучшее примыкание пристеночного валика к кромке разделки, что снижает вероятность образования подрезов, наплывов и несплавлений.
Таким образом, задержка электрода на свариваемых кромках с одновременным наложением импульсов напряжения и тока позволяет формировать дополнительный тепловой импульс, который оплавляет кромки свариваемого стыка и увеличивает длину дуги в момент наложения импульсов за счет оплавления торца электродной проволоки. Удлиненная в момент импульсов дуга с добавленным в нее тепловым импульсом при своем движении копирует геометрию разделки стыка, компенсирует потерю тепла, исключает возможные короткие замыкания электрода на кромки стыка при поперечных колебаниях электрода и обеспечивает качественное проплавление свариваемых кромок и плавное примыкание валика к свариваемым кромкам разделки при многослойной сварке. Амплитуда поперечных колебаний электрода может настраиваться в зависимости от необходимой ширины получаемого валика, позволяя выполнять валики как по всей ширине разделки, так и формировать слои из нескольких валиков.
Снижение чувствительности электрода к точности приближения его к кромке разделки снижает зависимость формирования примыкающего валика от точности поперечных перемещений электрода, что позволяет компенсировать наличие люфтов и прочих неточностей в оборудовании и приводах.
Равенство времени действия импульса тока и напряжения и времени задержки электрода на кромке позволяет получать необходимый объем сварочной ванны на кромках для гарантированного проплавления и одновременного удержания ванны на наклонной плоскости разделки, что не позволяет ванне стечь и развиться подрезу с одновременным образованием наплыва. Это, в конечном счете, позволяет получать качественные сварные соединения неповоротных стыков трубопроводов в любом пространственном положении.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков изобретения, не выявлено, заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Способ реализуется следующим образом.
Сварочная горелка оснащена сервоприводами вертикального перемещения, наклона и поперечных колебаний. Предварительно при помощи лазерного сканера и датчика положения головки на трубе проводят сканирование поперечного профиля стыка и формируют модель трехмерной разделки стыка, с помощью которой решают задачу геометрической адаптации - наведение на стык сварочной головки. Осуществляют при помощи модуля геометрической адаптации системы управления позиционирование сварочной горелки в горизонтальном и вертикальном положении в зависимости от геометрии разделки, номера слоя шва. Проводят при помощи командного сигнала системы управления режимами сварки и позиционирования сварочной головки в соответствующей точке разделки коррекцию базовых режимов сварки в зависимости от изменения геометрии стыка, определенной на основе данных профилометрии геометрии стыка.
Скорость сварки, сила тока, амплитуда колебаний электрода и время задержки электрода на кромках являются переменными величинами и устанавливаются системой управления. В период задержки электрода на кромке стыка с механизма поперечных колебаний горелки поступает сигнал на источник питания, который инициирует в нем процесс формирования теплового импульса длительностью, равной времени задержки электрода на кромке стыка. Задержка электрода на свариваемых кромках в положении 0-5 ч в пределах 0,1-0,15 сек, в положении 5-6 ч в пределах 0,4-0,5 сек с одновременным наложением импульсов напряжения и тока, увеличенных на 10-12% от установленных значений, позволяет формировать дополнительный тепловой импульс, который оплавляет кромки свариваемого стыка и увеличивает длину дуги за счет оплавления торца электродной проволоки. Удлиненная в момент импульса дуга с добавленным в нее тепловым импульсом при своем движении копирует геометрию разделки стыка, компенсирует потерю тепла, исключает возможные короткие замыкания электрода на кромки стыка при поперечных колебаниях электрода и обеспечивает качественное проплавление свариваемых кромок и плавное примыкание валика к свариваемым кромкам разделки, снижая чувствительность формирования примыкающего валика к точности поперечных перемещений электрода, компенсируя наличие люфтов в оборудовании и приводах, при многослойной сварке.
Заявляемый способ позволяет повысить качество заполняющих слоев за счет снижения на 20-30% количества дефектов по сравнению с известными способами.