Технология сварки нержавеющих емкостей с газовой защитой корня шва

При автоматической сварке обечаек и емкостей из нержавеющей стали необходимо защищать аргоном не только сварочную ванну со стороны горелки, но и обратную сторону формирующегося корня шва. Для этого комплекс оснащается дополнительной колонной либо облегченной горизонтальной консолью, на которой устанавливается подвижное устройство локальной газовой защиты.

Основная сварочная головка и устройство защиты корня располагаются с противоположных сторон соединения и перемещаются синхронно. В результате корень шва формируется в контролируемой бескислородной среде непосредственно во время сварки.

Зачем необходима защита корня

При сварке нержавеющей стали нагретый металл активно взаимодействует с кислородом воздуха. Со стороны сварочной горелки ванна защищена аргоном, поступающим через сопло. Однако обратная сторона соединения без дополнительной защиты остается открытой.

Контакт горячего металла с воздухом приводит к образованию оксидной пленки и грубой пористой поверхности, которую часто называют «сахаристым корнем».

Последствия недостаточной защиты:

• интенсивные цвета побежалости;
• образование пористого окисленного слоя;
• ухудшение формирования обратного валика;
• снижение содержания хрома в поверхностном слое;
• уменьшение стойкости к межкристаллитной, питтинговой и щелевой коррозии;
• появление концентраторов загрязнений;
• ухудшение санитарных свойств внутренней поверхности;
• необходимость механической выборки и повторной сварки.

Даже если соединение сохраняет механическую прочность и герметичность, сильно окисленный корень может не соответствовать требованиям, предъявляемым к емкостям для пищевой, фармацевтической, химической и нефтехимической промышленности.

Поэтому при односторонней сварке нержавеющих емкостей газовая защита обратной стороны является обязательной частью технологического процесса.

Принцип работы системы

Устройство газовой защиты размещается непосредственно под корнем шва с обратной стороны соединения. В его рабочую камеру подается аргон, который вытесняет атмосферный воздух и создает локальную защитную зону.

С одной стороны стыка находится основная сварочная горелка, с другой — газозащитная камера. Во время сварки оба устройства перемещаются вдоль соединения с одинаковой скоростью.

Последовательность работы выглядит следующим образом:

1. Сварочная головка устанавливается по оси стыка.
2. Устройство защиты корня подводится к обратной стороне соединения.
3. Между защитной камерой и поверхностью изделия устанавливается минимальный технологический зазор.
4. В камеру подается аргон.
5. Из рабочей зоны вытесняется атмосферный воздух.
6. После завершения предварительной продувки включается сварочный источник.
7. Основная горелка и газозащитное устройство синхронно перемещаются вдоль стыка.
8. После выключения дуги аргон продолжает подаваться в течение заданного времени.
9. Газовая камера отводится после охлаждения корня ниже температуры интенсивного окисления.

Такая схема позволяет защищать только небольшой участок вокруг сварочной ванны. Это значительно экономичнее, чем заполнение аргоном всего внутреннего объема крупногабаритной емкости.

Конструкция устройства газовой защиты

Рабочая часть устройства обычно представляет собой газозащитный башмак или камеру, повторяющую форму поверхности изделия.

В состав системы могут входить:

• корпус газозащитной камеры;
• пористый газораспределительный элемент;
• металлическая сетка или диффузор;
• термостойкое уплотнение;
• шарнирный или плавающий подвес;
• механизм регулировки высоты;
• поперечный корректирующий слайд;
• датчик остаточного кислорода.

Диффузор распределяет газ по всему объему камеры и уменьшает скорость локальных потоков. Аргон должен поступать равномерно, без выраженных струй и турбулентности.

По краям камеры могут устанавливаться термостойкие шторки или уплотнительные элементы. Они ограничивают подсос воздуха, но не должны соприкасаться со сварочной ванной или повреждать поверхность емкости.

Подвес выполняется плавающим или подпружиненным. Это позволяет устройству следовать за овальностью и локальными отклонениями поверхности, сохраняя стабильный зазор.

Вариант с дополнительной колонной

Дополнительная облегченная колонна устанавливается с противоположной стороны изделия относительно основной сварочной системы. На ней размещается горизонтальная консоль с устройством подачи защитного газа.

Такая компоновка применяется, когда:

• основная головка расположена на отдельном портале;
• требуется большой независимый диапазон перемещений;
• необходимо обслуживать емкости разных диаметров;
• основная и вспомогательная системы находятся по разные стороны изделия;
• требуется свободный доступ к внутренней или нижней стороне стыка;
• конструкция основной колонны не позволяет установить вторую консоль.

Дополнительная колонна может иметь механизированное вертикальное перемещение консоли и регулировку ее вылета. Это позволяет точно установить газозащитную камеру относительно корня шва.

Преимущества отдельной колонны

• независимая настройка положения газозащитного устройства;
• широкий диапазон рабочих диаметров;
• возможность работы с крупногабаритными емкостями;
• отсутствие дополнительной нагрузки на основную балку;
• удобное обслуживание защитной камеры;
• возможность использования с портальными сварочными системами;
• адаптация под наружное и внутреннее расположение корня.

При этом необходимо обеспечить точную электронную синхронизацию приводов основной и вспомогательной кареток.

Вариант с параллельной облегченной консолью

Во втором варианте на основной сварочной колонне параллельно рабочей консоли устанавливается дополнительная облегченная балка.

Основная консоль несет:

• сварочную головку;
• механизм подачи проволоки;
• систему слежения;
• видеокамеру;
• корректирующие слайды.

Облегченная консоль несет только устройство газовой защиты корня, поэтому не требует такой же жесткости и грузоподъемности, как основная балка.

Обе консоли конструктивно связаны с одной колонной. Их относительное положение настраивается в зависимости от диаметра емкости, толщины стенки и расположения соединения.

Преимущества параллельной консоли

• компактная компоновка комплекса;
• упрощенная синхронизация;
• уменьшение занимаемой производственной площади;
• сокращение числа отдельных приводных колонн;
• постоянное взаимное положение горелки и газозащитной камеры;
• удобная переналадка на изделия другого диаметра;
• снижение стоимости оборудования по сравнению с отдельной полноценной колонной.

Этот вариант особенно удобен, если обе стороны соединения доступны из одной рабочей зоны и конструкция емкости позволяет разместить вспомогательную консоль под или внутри изделия.

Сварка продольных швов обечаек

При выполнении продольного шва обечайка остается неподвижной. Основная сварочная головка перемещается вдоль образующей, а устройство защиты корня повторяет ее движение с обратной стороны.

Возможны две основные схемы.

Наружная сварка с внутренней защитой корня

Основная горелка находится снаружи обечайки, а газозащитная камера — внутри. Это наиболее распространенная схема при изготовлении отдельных обечаек.

Преимущества:

• удобный доступ к сварочной головке;
• возможность визуального наблюдения за процессом;
• свободное размещение механизма подачи проволоки;
• защита внутренней поверхности емкости;
• получение гладкого обратного валика.

Внутренняя сварка с наружной защитой корня

Сварочная горелка располагается внутри обечайки, а камера защиты корня перемещается снаружи.

Эта схема используется, если требования к геометрии внутреннего шва выше либо дальнейшая механическая обработка наружного соединения выполняется проще.

Перед началом сварки выполняется контрольный проход без дуги. Проверяется сохранение положения камеры по всей длине соединения, отсутствие столкновений и точность синхронного движения.

Сварка кольцевых соединений

При сварке кольцевого шва горелка и устройство защиты корня обычно остаются неподвижными относительно рабочей зоны, а емкость вращается на роликовом вращателе.

Основная головка располагается в нижнем пространственном положении. Газозащитная камера устанавливается строго напротив нее с обратной стороны стыка.

Во время вращения емкости один и тот же участок соединения последовательно проходит через:

1. зону предварительной газовой защиты;
2. точку формирования сварочной ванны;
3. зону кристаллизации корня;
4. участок последующей газовой защиты.

Для кольцевого шва газозащитная камера должна иметь достаточную длину по направлению движения. Она должна защищать металл не только непосредственно под дугой, но также перед сварочной ванной и позади нее.

Скорость вращателя синхронизируется со сварочным режимом. Рывки, вибрации и проскальзывание роликов недопустимы, поскольку они вызывают изменение скорости сварки и нарушение формирования корня.

Предварительная продувка

До возбуждения дуги рабочая камера должна быть полностью заполнена защитным газом.

Начинать сварку только по истечении заданного времени недостаточно надежно. Для ответственных изделий рекомендуется применять газоанализатор и контролировать фактическую концентрацию кислорода непосредственно в рабочей зоне.

Для качественного светлого корня содержание кислорода должно измеряться не в процентах, а в десятках или сотнях ppm. Конкретное предельное значение устанавливается технологией сварки WPS с учетом марки стали и требований к изделию.

Для изделий с высокими требованиями к коррозионной стойкости обычно стремятся снизить содержание кислорода ниже 50–100 ppm. Для дуплексных и особо ответственных сталей могут устанавливаться более жесткие требования.

Выбор и подача защитного газа

Для защиты корня аустенитных нержавеющих сталей чаще всего применяется аргон высокой чистоты.

В зависимости от марки стали и технологии также могут использоваться специальные формирующие смеси, однако их применение должно быть подтверждено технологическими испытаниями.

При настройке системы необходимо исключить две противоположные ситуации.

Недостаточный расход

При слишком низком расходе камера не успевает вытеснить воздух. В рабочей зоне сохраняется повышенное содержание кислорода, и корень окисляется.

Избыточный расход

При чрезмерной подаче возникает турбулентность. Поток газа может подсасывать воздух через зазоры и нарушать формирование жидкого металла корня.

Поэтому расход выбирается не по принципу «чем больше, тем лучше», а по объему и конструкции конкретной газозащитной камеры. Для локальных устройств ориентировочный расход часто находится в диапазоне 8–20 л/мин, но окончательное значение определяется при отработке технологии.

Аргон рекомендуется подавать в нижнюю часть объема, предусматривая контролируемый выход вытесняемого воздуха из верхней зоны.

Последующая защита

Подача газа не должна прекращаться одновременно с выключением дуги. После завершения сварки корень некоторое время сохраняет температуру, при которой нержавеющая сталь продолжает активно окисляться.

PLC должен обеспечивать программируемую последовательность:

1. предварительная продувка;
2. разрешение на включение сварочного источника;
3. выполнение сварочного прохода;
4. плавное снижение тока;
5. заполнение кратера;
6. отключение дуги;
7. последующая подача аргона;
8. отключение газа после охлаждения соединения.

Продолжительность последующей защиты определяется тепловложением, толщиной металла, скоростью сварки и размерами камеры.

Синхронизация оборудования

Для продольных соединений основная и вспомогательная каретки должны перемещаться с одинаковой скоростью. Рассогласование приводит к смещению газовой камеры относительно сварочной ванны.

Система управления может синхронизировать устройства следующими способами:

• механической связью;
• общим приводом;
• электронным валом;
• согласованным управлением сервоприводами;
• управлением от одного частотного преобразователя;
• позиционным контролем по энкодерам.

Предпочтительна синхронизация с обратной связью по положению. В этом случае PLC контролирует не только заданную скорость, но и фактическое взаимное положение горелки и газозащитного устройства.

Система слежения за поверхностью

Крупногабаритная обечайка не обладает идеальной геометрией. Овальность, сварочные деформации и локальные отклонения поверхности могут изменять расстояние между камерой и корнем шва.

Для компенсации применяются:

• опорные ролики;
• пружинный подвес;
• пневматический прижим;
• плавающий шарнир;
• электромеханический корректор;
• лазерный или контактный датчик положения.

Прижим должен быть достаточным для сохранения небольшого зазора, но не должен деформировать тонкую стенку или препятствовать перемещению устройства.

Рекомендуемая технологическая последовательность

1. Подготовка соединения

Кромки механически обрабатывают и очищают инструментом, предназначенным только для нержавеющей стали. Удаляют масло, влагу, оксиды, разметочные материалы и следы углеродистой стали.

2. Сборка

Обечайку фиксируют в сборочном приспособлении. Контролируют зазор, смещение кромок, прямолинейность стыка и геометрию прихваток.

3. Настройка сварочной головки

Устанавливают положение электрода, длину дуги, угол горелки, вылет и точку ввода присадочной проволоки.

4. Настройка газозащитной камеры

Камеру устанавливают напротив электрода. Проверяют равномерность зазора, свободное перемещение и отсутствие контакта с прихватками.

5. Контрольный проход

Обе системы перемещают без включения дуги. Проверяют синхронизацию, запас хода корректоров и отсутствие механических столкновений.

6. Предварительная продувка

В камеру подают аргон. Сварка разрешается после достижения установленного содержания остаточного кислорода.

7. Формирование корня

Корневой проход выполняется методом TIG, PAW или DP-TIG. Эти процессы обеспечивают управляемое проплавление и стабильный обратный валик.

8. Заполняющие проходы

В зависимости от толщины стенки используются TIG с горячей проволокой, импульсная MIG-сварка или SAW. После каждого прохода выполняется межслойная очистка.

9. Облицовочный проход

Облицовочный валик формируется с плавным переходом к основному металлу, без подрезов, несплавлений и чрезмерного усиления.

10. Контроль и обработка

Проводятся визуально-измерительный и предусмотренный проектом неразрушающий контроль. Цвета побежалости удаляются механическим, химическим или электрохимическим способом. При необходимости выполняется пассивация поверхности.

Контроль качества газовой защиты

Качество защиты оценивается по нескольким параметрам:

• концентрации остаточного кислорода;
• цвету поверхности корня;
• равномерности обратного валика;
• отсутствию пористого окисленного слоя;
• отсутствию пор, непроваров и прожогов;
• состоянию поверхности после очистки.

Светлый серебристый или слабо окрашенный корень свидетельствует о хорошей защите. Темно-синие, серые и черные оксиды указывают на недостаточный поддув, слишком раннее отключение газа либо подсос воздуха.

Оценка только по внешнему цвету не заменяет газоанализ и неразрушающий контроль.

Преимущества локальной защиты корня

• получение чистого и равномерного обратного валика;
• сохранение коррозионной стойкости нержавеющей стали;
• отсутствие грубого окисленного слоя;
• снижение объема внутренней зачистки;
• сокращение расхода аргона;
• отсутствие необходимости заполнять газом всю емкость;
• возможность сварки изделий очень большого диаметра;
• синхронная работа с автоматической сварочной головкой;
• стабильность качества по всей длине соединения;
• возможность сварки продольных и кольцевых швов;
• снижение вероятности ремонта сварных соединений;
• повышение производительности изготовления емкостей.

Итог

Дополнительная колонна или параллельная облегченная консоль с устройством газовой защиты корня является важной частью автоматизированного комплекса для сварки нержавеющих емкостей.

Система обеспечивает синхронное перемещение газозащитной камеры с основной сварочной головкой и создает локальную аргоновую среду на обратной стороне соединения. Это позволяет получить чистый, гладкий и коррозионностойкий корень шва при значительно меньшем расходе газа по сравнению с полной продувкой емкости.

Конкретные значения расхода газа, содержания остаточного кислорода, сварочного тока, скорости, тепловложения и времени последующей защиты определяются технологией WPS после квалификационных испытаний на материале и толщине, соответствующих реальному изделию.