Орбитальная лазерная сварка труб

Обновлено: 19.09.2024

В статье выделены особенности сварки в условиях отрицательных температур; обоснована актуальность в разработке подходов к использованию новых сварочных технологий в суровых климатических условиях. Выделены критерии эффективности орбитальной сварки трубопроводов, определено, что орбитальная сварка при строительстве трубопроводов является высокопроизводительным способом сварки, который способствует увеличению производительности процесса, снижению влияния человеческого фактора, получению сварных соединений высокого качества с гарантированными механическими свойствами и геометрическими параметрами. Определены различные виды предлагаемого оборудования для орбитальной сварки, выделены достоинства и недостатки каждого вида. Рассмотрены особенности технологии орбитальной сварки трубопроводов, определены и обоснованы способы подготовки кромок под сварку. Рассмотрено оборудование для орбитальной сварки трубопроводов, проведен сравнительный анализ ряда современных устройств для орбитальной сварки. Определены достоинства и недостатки орбитальной сварки, обосновало внедрение технологии орбитальной сварки для сварки трубопроводов в нефтегазовых компаниях. Обосновано, что орбитальная сварка обеспечивает высокое качество сварных соединений, возможность избежания образования дефектов в сварном шве, надежные физико-механические характеристики металла шва; позволяет получить экономию расходных сварочных материалов, энергетических ресурсов; способствует решению проблемы подготовки высококвалифицированных сварщиков.

2. Оськин И.Э. Пути решения проблем внедрения автоматической орбитальной сварки магистральных трубопроводов по узкому зазору // Известия высших учебных заведений. 2013. № 5. С. 68–74.

3. Ларионов В.П. Электродуговая сварка конструкций в северном исполнении. Новосибирск: Наука, 1986. 256 с.

9. Фиц Э.-В. (DE), Фоллертзен Ф. (DE), Кон Х. (DE), Клаус Т. (DE) Орбитальное сварочное устройство для строительства трубопроводов // Патент RU № 2355539. Патентообладатель ФИЦ ГМБХ. 2015. Бюл. № 34.

10. Третьяков Е.С., Коберник Н.В. Технологии автоматической орбитальной сварки трубопроводов малого диаметра из углеродистых и низколегированных сталей // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2013. № 6. С. 31–37.

11. Полосков С.И. Технологические основы автоматической орбитальной сварки трубопроводов атомных станций: дис. … докт. техн. наук. Москва, 2006. 452 с.

12. Шипилов А.В. Особенности автоматической орбитальной сварки неплавящимся электродом трубопроводов обвязки компрессорных станций // Сварка и диагностика. 2010. № 5. С. 42–47.

Развитие промышленных проектов в Арктике, Восточной Сибири, на территориях, приравненных к районам крайнего Севера, обусловлено наличием больших запасов природных ресурсов. По оценкам специалистов, в арктических районах расположены большие запасы «неиспользованных природных ресурсов, а именно около 13 % запасов нефти, приблизительно 30 % запасов природного газа» [1]. Посредством магистральных трубопроводов транспортируется около 95 % добываемой нефти, данный способ является наиболее надежным и имеет наименьшую себестоимость [2]. Одной из основных технологий при сооружении трубопроводов является сварка. В Сибири при строительстве трубопроводов как правило, пересекаются болота, что возможно только в зимних условиях.

Особенностями сварки в условиях отрицательных температур являются: изменение условий горения сварочной дуги; увеличение скорости остывания сварочной ванны; замедление диффузионных процессов (диффузия водорода уменьшается в десятки раз), в результате снижается в пределах 40 % сопротивляемость к образованию холодных трещин [3]. Данные процессы оказывают негативное влияние на прочность сварного соединения, способствуют образованию закалочных структур; приводят к повышению критической температуры хрупкости материала.

Цель исследования: обеспечение надежности объектов трубопроводного транспорта, появление новых высокопрочных сталей способствуют разработке новых подходов к использованию сварочных технологий в суровых климатических условиях. Основными критериями эффективности новых способов сварки являются качество сварных соединений и производительность процесса. Сжатые сроки строительства трубопроводов, особенности монтажных работ обуславливают необходимость применения способов сварки с высокой производительностью, при этом с обеспечением высокого качества сварных соединений.

Материалы и методы исследования

Орбитальная сварка при строительстве трубопроводов является высокопроизводительным способом сварки, который способствует увеличению производительности процесса, снижению влияния человеческого фактора, получению сварных соединений высокого качества с гарантированными механическими свойствами и геометрическими параметрами. Это актуально при условии того, что для трубопроводов предусматривается гарантированный ресурс не менее 30 лет. Орбитальную сварку применяют при монтаже трубопроводов в ограниченных условиях, когда на месте проведения сварочных работ нет свободного места для размещения громоздкого оборудования [4]. Также орбитальная сварка может быть использована в тех случаях, когда разбрызгивание расплавленного металла недопустимо; при отсутствии возможности поворота свариваемых деталей; невозможности визуального контроля качества сварки, в связи с ограниченностью доступа. Применение программных систем управления и телеметрии в процессе орбитальной сварки позволяет производить процесс сварки практически бездефектно, при этом оператор-сварщик в зоне работ не присутствует.

Методы: теоретические (изучение, анализ и синтез литературы по рассматриваемой проблеме; анализ предмета исследования; обобщение результатов исследования); эмпирические (изучение нормативных документов, анализ документации, анализ результатов механических испытаний, сравнение данных).

Результаты исследования и их обсуждение

Орбитальная сварка (Orbital Welding) представляет собой способ автоматической дуговой сварки в защитном газе металлическим электродом (проволокой) (Gas Metal Automatic Welding – GMAW) или неплавящимся электродом в среде инертного газа (Gas Tungsten Automatic Welding – GTAW).

Орбитальной сваркой производят соединение неповоротных стыков труб, при этом оборудование вращается вокруг стыка изделия. Основу способа составляет дуговая сварка в инертных газах неплавящимся электродом. В качестве инертных газов используются смеси: аргон с водородом или гелием, либо применяют чистый аргон (чистотой 99,95 %), применяется в обычных промышленных условиях. Аргон является универсальным газом, он позволяет производить сварку большинства типов металлов и сплавов (алюминий, медь, сплавы цветных металлов). Смеси аргона и гелия применяются для соединения деталей из чистого титана и его сплавов. Дуплексные и супердуплексные стали соединяют в среде смеси аргона, гелия и азота. Для стальных труб применяют смеси аргона. Для сварки труб из нержавеющих сталей используют аргон ультравысокой частоты (до 99,9998 %) [5].

В процессе орбитальной сварки наибольшее применение нашли неплавящиеся вольфрамовые электроды, параллельно с которыми в зону сварки подается холодная проволока. Подбор компонентов инертного газа позволяет увеличить скорость процесса сварки, повысить глубину провара, минимизировать количество брызг на поверхности свариваемого металла.

Универсальное устройство для орбитальной сварки включает аргонодуговое оборудование и оборудование для автоматического перемещения головки. Орбитальная головка обеспечивает вращение горелки (электрода). Источник тока производит питание сварочной дуги и питает механизм перемещения головки. Наибольшее применение нашли инверторные источники тока, которые осуществляют контроль величины силы тока; скорости подачи проволоки, частоты, с которой вращается головка; расход газа. Инвертор с учетом диаметра соединяемых труб, материала, из которого изготовлены трубы, состава газа обеспечивает программирование режима сварки, установку профиля шва. В некоторых системах для предотвращения перегрева применяют жидкостное охлаждение.

Выделяют два типа головок для орбитальной сварки трубопроводов: открытого и закрытого типов. Закрытая головка применяется в герметичных камерах для защиты свариваемых деталей, предварительно наполняемых инертным газом. Головками закрытого типа сваривают трубы диаметром до 170 мм, толщиной до 4 мм. Открытые головки применяют для многопроходной сварки труб из металла большой толщины, имеющих большой диаметр. В процессе сварки применяют дополнительный сварочный материал. В процессе выполнения многопроходных швов горелка позволяет производить сварку под разными углами. При сварке открытой головкой оператор имеет возможность контролировать длину сварочной дуги. В современных устройствах орбитальных головок предусмотрено компьютерное управление, что способствует минимизации ручного труда. Орбитальная готовка имеет возможность поворота на угол до 360 °.

Анализ различных видов сварочных головок для орбитальной сварки показывает, что ряд исследователей занимается вопросами разработки и усовершенствования оборудования для данного вида работ. В качестве основы рассматриваются устройства для кольцевой лазерной сварки, применяющиеся при строительстве трубопроводов [6, 7]. Но предлагаемый в данных работах газовый лазер не обеспечивает желаемую скорость сварки вследствие недостаточной мощности. Конструкторами [8] предлагаются устройства с применением зонда, который вводится внутрь трубы при выполнении лазерной кольцевой сварки. Защитный газ направляется посредством зонда к его внешней поверхности, что способствует формированию сфокусированного лазерного пучка.

Для орбитальной сварки трубопроводов предлагается устройство [9], позволяющее формировать шов, имеющий один слой, при этом достигается высокая скорость сварки, высокое качество сварного соединения. Устройство предназначено для мобильного и автономного использования при сварке труб магистральных трубопроводов, прокладываемых на земле горизонтально и при негоризонтальной ориентации труб при прокладке в море. Используется высокомощный волоконный лазер, располагаемый на транспортном средстве. Устройство позволяет соединять трубы за один проход, что исключает необходимость привлечения нескольких сварщиков, нескольких наборов оборудования при прокладке трубопроводов в полевых условиях. Следует отметить, что для нескольких сварочных головок возможно применение одного высокомощного волоконного лазера [9].

Процесс орбитальной сварки требует соблюдения определенных параметров: допустимое отклонение зазора между заготовками до 5 % от толщины трубы; отклонение толщины стенки трубы в зоне сварки до 5 %. Данные условия требуют применения приспособлений (зажимов, стендов) для установки труб в зоне сварки. Перед сваркой необходимо проведение подготовительных работ. В процессе подготовки поверхностей для орбитальной сварки необходимо выполнение ряда условий: очистка поверхностей концов труб от загрязнений и заусенцев; перпендикулярность поверхности стыка относительно оси трубы; соблюдение точности зазора между стыками при сборке.

Разделку кромок производят автоматическими станками-труборезами, что обеспечивает соответствие высоким требованиям технологии. При подготовке кромок под сварку выполняют U- или V-образную разделку кромок. При V-образной разделке кромок вероятность образования появления непровара корня шва уменьшается, что обусловлено возможным блужданием дуги. При толщине металла стенки трубы более 3 мм применяется U-образная разделка кромок [10]. В процессе орбитальной сварки снижение объема наплавляемого металла осуществляется за счет разделки по узкому зазору (узкощелевой разделки), при этом угол стыка принимается от 2 до 60 °. Сварка швов с узкощелевой разделкой может производиться от стенки до стенки, то есть каждый слой проваривается за один проход. При строительстве магистральных трубопроводов сварка в узкощелевую разделку имеет ограниченное применение. Характерными трудностями, связанными с применением орбитальной сварки по узкому зазору, являются: блуждание дуги в разделке; узость разделки уменьшает возможность доступа в зону сварки; при сварке магистральных трубопроводов их металла большой толщины затруднен контроль качества корневых и первых заполняющих слоев посредством визуального контроля; обязательность учета влияния на структуру шва и зону термического влияния сварки; необходимость компенсации уменьшения угла раскрытия кромок, вследствие сварочных деформаций; возможность образования горячих и холодных трещин в процессе сварки и др. [11]. Применение торцевальных и отрезных станков с целью обеспечения необходимого зазора под сварку позволяет исключить возникновение неперпендикулярности торца трубы. При подобном способе подготовки неперпендикулярность не превышает 0,1 мм относительно оси трубы.

В процессе орбитальной сварки вдоль неподвижного шва по орбите (оборот 360 °) перемещается сварочная головка по специально выставленным направляющим, весь процесс сварки автоматизирован. Процессор посредством специальной программы контролирует протекание процесса орбитальной сварки. В автоматическом режиме дуга проворачивается по всей окружности шва, за счет чего осуществляется равномерный провар со всех сторон. Способ орбитальной сварки позволяет производить процесс сварки неподвижных заготовок в труднодоступных местах, при этом обеспечивается герметичность качественных сварных швов. Сварочная головка жестко фиксируется на определенной высоте над трубой, что обеспечивает постоянство выбранной длины дуги.

Трубу разбивают на секторы, для каждого сектора оператор устанавливает индивидуальные параметры сварки, при этом учитывается давление собственного веса заготовки в нижней части, что обеспечивает отсутствие провисания металла внутрь трубы. Внутри каждого сектора обеспечиваются постоянные параметры режима сварки. В процессе сварки выделяются горизонтальные, вертикальные участки и участки, находящиеся под определенным углом. Корень шва может выполняться на следующих режимах: непрерывном, шагоимпульсном, импульсном.

Для сварки трубопроводов из углеродистых и низколегированных сталей, как правило, применяют непрерывный и импульсный режимы, что обусловлено их высокой производительностью. При соединении трубопроводов малого диаметра с толщиной стенок до 3 мм посредством орбитальной сварки за один проход, разделку кромок не производят, процесс сварки ведут без присадочного материала. Применяют головки открытого или закрытого типа. Данный способ применим для низколегированных и сталей с высокой степенью раскисленности, для углеродистых сталей этот способ не используется. Это обусловлено наличием остаточного кислорода в основном металле, что вызывает кипение сварочной ванны [12]. Применение присадочной проволоки, содержащей раскисляющие компоненты (марганец, кремний), использование флюс-паст позволяет применять данный способ для углеродистых сталей. Наибольшее применение нашло использование присадочной проволоки, так как в монтажных условиях возможно неравномерное нанесение флюс-пасты, что может привести к нарушению стабильности геометрических параметров шва.

Орбитальные головки открытого типа применяются при сварке трубопроводов с толщиной стенок более 3 мм. Процесс сварки ведется с применением присадочного материала, металл подготавливают, осуществляя разделку кромок. В процессе сварки выполняются колебания горелки в поперечном направлении. Если толщина металла стенки трубы от 3 до 5 мм, то проваривают корень шва и облицовочный шов, то есть процесс сварки ведут в два слоя. Три и более слоя выполняют при толщине стенки более 5 мм, при этом сваривают корень шва, заполняющие слои и облицовочный слой.

Автоматическая орбитальная сварка характеризуется точным подбором параметров, при этом режим сварки программируется, так как швы могут выполняться в разных пространственных положениях и располагаться в различных секторах трубы и может возникнуть большая разница геометрических параметров.

Процесс сварки осуществляется следующим образом: оператор настраивает орбитальную систему; закрепляет головку вдоль линии сварного шва; запускает процесс сварки. Орбитальная система самостоятельно выходит на заданный режим и осуществляет сварку труб по секторам. Оператор наблюдает за процессом сварки и качеством сварного шва, контролирует параметры режима и [13]. По окончании цикла сварки сварочный аппарат выключается самостоятельно, после чего оператор может оценить качество выполненных работ.

Достоинства орбитальной сварки: возможность сваривания практически всех видов металлов; высокое качество получаемых сварных соединений; выполнение швов в любых пространственных положениях; контроль всех параметров сварки (создание автоматических отчетов о процессе); возможность сварочного процесса как с использованием присадочного материала, так и без него; разбрызгивание металла сварочной ванны минимально благодаря регулированию дуги; на шве исключено образование окалины; автоматический контроль параметров режима сварки; отсутствие образования дыма и шлака.

Следует выделить ряд недостатков данного способа сварки: высокая себестоимость процесса за счет высокой цены и сложности оборудования; возможность соединения труб с однородными параметрами: одинаковая толщина металла по всей длине соединяемых элементов (для получения равномерного шва). Небольшое сравнение ручной дуговой сварки и орбитальной сварки по ряду параметров позволяет выявить положительные моменты от использования рассматриваемого способа сварки (таблица).

Орбитальная сварка

Орбитальная сварка применяется при соединении труб большого и малого диаметра в различных промышленных и хозяйственных сферах. Сваривание происходит в автоматическом режиме, для этого используется специальное навесное оборудование. Мастер только задает параметры и контролирует процесс.

По сравнению с ручным способом сварного соединения орбитальная сварка позволяет свести процент брака к минимуму, ускорить выполнение работ, добиться максимального качества исполнения. О том, какое оборудование используется для орбитальной сварки, как проходит сам процесс, вы узнаете из нашего материала.

Отличия ручной и орбитальной сварки труб

Бесповоротный стыковой тип шва является самым сложным видом сварного соединения труб любого диаметра. Для простого соединения двух труб достаточно обладать навыками сварки в любом пространственном положении, которыми чаще всего обладают только мастера высшей квалификации. Многим начинающим сварщикам при формировании верхней части шва кажется, что остальная его часть будет такой же простой, как и начало. На самом деле это не всегда так.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

После верха производится сваривание боковых вертикальных стыков, что уже намного сложнее. А заканчивается процесс выполнением потолочного шва на нижней части трубы. Такая операция для новичков, имеющих недостаточный опыт, – нелегкая задача.

Основные отличия автоматической орбитальной сварки от ручной заключаются в следующем:

орбитальную головку можно повернуть вокруг обрабатываемой заготовки на угол до 360°;
технологическая оснащенность процесса современными системами числового управления позволяет свести к минимуму задействование ручного труда оператора;
чаще всего (в 9 случаях из 10) используются вольфрамовые электроды.

Эффективность орбитальной сварки в большей степени зависит от чистоты применяемого аргона. К примеру, для сварных работ в обычных заводских условиях используется газ чистотой до 99,95 %, а для соединения нержавеющих труб способом орбитальной сварки в некоторых случаях необходим аргон ультравысокой чистоты, значение которой может достигать 99,9998 %.

Сферы применения орбитальной сварки

Оснащенность специальным оборудованием позволяет выполнять всю работу в автоматическом режиме, задача сварщика заключается только в выставлении необходимых настроек и наблюдении за ходом процесса. Кроме этого, подача защитного газа и присадочной проволоки в сварочную зону также осуществляется автоматически. Говоря простым языком, метод орбитальной сварки очень схож со сваркой полуавтоматом, только специалисту отводится не первостепенная роль в процессе, а движение горелки может осуществляться по круговой траектории.

Автоматы орбитальной сварки трубных стыков используются при следующих технологиях:

ведение работ по линейному монтажу трубопроводов;
крепление фланцевых соединений;
соединение отводов, тройников и другой трубной арматуры с отрезками трубного проката;
сваривание теплообменников из трубы.

Использование установок орбитальной сварки трубопроводов приводит к минимизации брака, увеличению производительности при прокладке трубопроводов, сборке котлов и установке теплообменников. Кроме этого, значительно упрощается обслуживание и ремонт ТЭС, инженерных коммуникаций, газовых магистралей нефтепроводов.

Выполнить технологию орбитальной сварки достаточно просто. Для этого сначала надо установить деталь во вращатель, который предназначается не только для ее фиксации, но и для перемещения, когда в этом возникает необходимость. Помимо этого, в процессе сварного соединения частей труб применяются центраторы. Такое оборудование оснащается сварочной головкой для орбитальной сварки, предназначенной для формирования шва при помощи электрической дуги во время ее перемещения по линии стыка. Здесь не используются какие-либо специфические функции, которые бы удивили сварщика с большим опытом.

Преимущества и недостатки орбитальной сварки

Сегодня популярность использования установок орбитальной сварки с каждым годом увеличивается. Причина этого, безусловно, заключается в наличии ряда следующих особых преимуществ:

Технология позволяет достичь высокой производительности без снижения эффективности и качества.
Процесс сваривания можно выполнить как с помощью присадочных материалов, так и без них.
Орбитальный способ сварки почти исключает шлак и вредные для человеческого организма испарения. Благодаря этому негативное воздействие на сварщика сводится к минимуму.
Параметры сварки контролируются автоматически. Иначе говоря, сварщик-оператор только задает необходимые настроечные параметры, а рабочий режим поддерживается посредством оборудования.
Правильный выбор модели сварочной каретки в сочетании с комплексом позволит без особых проблем соединять любые металлы, включая стали и даже титан. Обладая определенными навыками и опытом, сварщик сможет выполнить сварку латунных или бронзовых заготовок.
Процесс нанесения шва выполним из любого пространственного положения.
Технологичность процесса позволяет обеспечивать достаточно низкий процент брака. Так как обработку детали производят по заданному алгоритму, а человеческий фактор при этом сведен к нулю, то в итоге получают высококачественные сварные соединения.

У орбитального способа сварки, как и у любого другого метода соединения деталей, имеются свои недостатки, среди которых можно выделить:

Достаточно большую стоимость оборудования.
Сложное техническое обслуживание и ремонт оборудования.
Довольно низкая скорость обработки тонкостенных трубопроводов (зависит от вида применяемой орбитальной головки).

Еще один плюс скрытого характера заключается в том, что сваривание труб одного диаметра дает возможность организовать серийное производство. Надо всего один раз установить оптимальные настройки, и линия запустится до окончания всей партии деталей. А отсутствие человеческого фактора окажет существенное влияние на повышение качества сварного соединения.

Компоненты оборудования для орбитальной сварки

Аппарат орбитальной сварки представляет собой объединение трех крупных узлов: системы подачи газа, источника сварочного тока, кроме этого, используются сварочные «головки». Система подачи газа применяется такая же, как и в любом полуавтоматическом оборудовании. А об источнике тока и сварочной головке стоит сказать немного больше.

Источником тока служит инвертор, способный выдать от 30 до 400 ампер, недалеко от которого размещают газовый баллон. Инвертор имеет программируемую панель управления. Помимо этого, есть модели, оснащенные дистанционным управлением. В корпусе предусматривается установка принтера, который выдает распечатку на бланке с техническими результатами выполненных работ.

Чтобы выполнить настройку оборудования орбитальной сварки, необходимо задать следующие параметры: толщину стенок и диаметр трубы, необходимый объем газа, угол наклона и скорость перемещения электрода, скорость подачи присадочной проволоки, силу сварочного тока и его напряжение.

Существует несколько типов сварочных головок, с помощью которых можно сваривать металлы толщиной до 170 мм. Они, в свою очередь, подразделяются на три основные группы:

Открытого исполнения. Такой тип головок для орбитальной сварки используют при соединении толстостенных труб, когда необходимо выполнить многократные повторы цикла. Их преимуществом является возможность оператора контролировать длину дуги на протяжении всего процесса.
Закрытого типа. Процесс орбитальной сварки происходит в камерах закрытого типа, которые заполняются для полной защиты всех элементов инертным газом. Высокий уровень надежности является их основным достоинством. Даже от частичной разгерметизации стыка качество сварного соединения не ухудшится, так как кислород не сможет проникнуть внутрь.
Для трубных досок. Такая разновидность орбитальной сварки используется для реставрации теплообменников, состоящих из множества элементов. Процесс позволяет значительно упростить соединение деталей, одновременно снижая воздействие человеческого фактора.

Для сварки труб определенного диаметра должны использоваться соответствующие типы головок. Например, для сваривания металла диаметром в диапазонах от10 до 170, от 33 до 90 и от 17 до 50 мм должен использоваться инструмент типа РКВ и РКС.

Орбитальная сварка труб малых диаметров является высокоскоростной, не требующей дополнительного оборудования. В то время как для соединения трубного проката больших размеров потребуются специальные кронштейны, необходимые для передвижения по ним сварочной головки для орбитальной сварки. Траектория перемещения головки также программируется, коррекцию всех настроек можно делать в процессе работы, в том числе и с помощью дистанционного управления. Для достижения максимального качества шва при сваривании труб большого диаметра можно дополнительно менять положение электрода.

Требования к орбитальной сварке и настройка оборудования

При подготовке поверхностей к свариванию выравнивание торцевых поверхностей выполняют на отрезных станках, которые позволяют обеспечить ровную вертикальную кромку. Обработка толстостенных труб производится в заводских условиях: после разделки кромок делается фаска под углом 30°. Прокат с тонкими стенками следует заплавлять без использования присадки.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Лазерная сварка труб

Лазерная сварка труб – технология, которая появилась сравнительно недавно, но уже успела стать востребованной и доказать свою эффективность. В отличие от обычных способов соединения кромок деталей путем расплава, она обеспечивает большую скорость производства при более высоком качестве сварного шва.

Используются как ручные, так и автоматизированные установки с разными типами лазеров. Из нашего материала вы узнаете об основных нюансах применения лазерной сварки труб, преимуществах и недостатках технологии, видах используемого оборудования.

Принцип лазерной сварки труб

В последнее время увеличение объемов прокладывания и ремонта трубопроводных магистралей, а также повышение требований к качеству соединения труб заставляют постоянно работать над развитием технологий сварки и модернизацией оборудования.

С появлением в промышленности высокопроизводительных волоконных лазерных установок уровень развития технологий обработки металлов значительно вырос. С применением лазерной сварки труб появилась возможность достигать высокого качества сварных швов благодаря следующим техническим характеристикам:

процесс осуществляется в режиме глубокого («кинжального») плавления;
сварка производится на высокой скорости;
зона термического влияния (ЗТВ) и объем расплавленного металла незначительны.

Кроме того, волоконные лазерные установки передают излучение на большое расстояние от источника, а движение луча может происходить практически по любой траектории.

Рабочие режимы лазерной сварки труб легко автоматизировать и адаптировать к любым производственным линиям.

Еще одним важным преимуществом можно считать возможность сваривания элементов за один технологический проход без разделки кромок.

Рекомендуем статьи по металлообработке

При этом образуется плотный шов без дефектов, присущих другим сварочным технологиям (к примеру, пористости, которой подвержены алюминий и сплавы на его основе).

Появление пористости в теле шва снижает толщину его фактического сечения, что может негативно отразиться на эластичности и прочности готового изделия.

Действующие нормативы ГОСТ допускают наличие равномерного распределения пористости для дуговой сварки не более 20 % включительно. К примеру, такой же показатель для лазерной сварки труб не превышает 0,8 %.

Лазерная технология вообще исключает пористость по причине разницы физических принципов, которые лежат в основе сварочного процесса, так как не требуется применения электродов, формирования дуги. Кроме того, имеются много других важных отличий.

В основе технологии лазерной сварки труб с кольцевыми неповоротными стыками используется сварная обработка корня в режиме глубокого проплавления (при первом проходе параметр притупления может достичь 8 мм) и заполнение разделки с углом раскрытия 2° с помощью присадочной проволоки. Такой способ позволяет снизить более чем в 3 раза объем наплавляемого металла по сравнению с дуговой сваркой с узкой перетачиваемой разделкой поверхностей кромок.

Использование волоконного лазера как источника тепла с высокой концентрацией и малым углом раскрытия кромок дает возможность проводить сварку со значительно большей скоростью, чем при любом другом аналогичном автоматическом процессе. Кроме того, на лазерное излучение не влияют магнитные поля труб, исключается потребность в механической осцилляции горелки, которая свойственна электродуговой сварке.

Преимущества и недостатки лазерной сварки труб

Применение лазерной сварки позволяет получать сварные соединения при отсутствии таких дефектов, как большой объем шлака, пористость, долгое остывание готовой детали, большая площадь нагрева участка соединения, которые свойственны другим методам.

Лазерная сварка труб имеет особые преимущества:

Большая мощность оборудования позволяет обеспечивать высокую скорость выполнения работ. Это позволяет избежать большого нагревания области соединения элементов, что дает гарантию качества поверхности с минимальным риском расслаивания обрабатываемых материалов и коробления (деформации).
Лазерный луч передается по оптоволокну, следовательно, сварку можно проводить на большом расстоянии от лазерного источника и в любом труднодоступном месте со сложной формой детали.
Можно производить как сварку, так и резание металла, что особенно важно для крупных металлообрабатывающих предприятий.
Достигается высокое качество сварного шва, в том числе и при точечной сварке.
Простой контроль процесса позволяет управлять скоростью во время выполнения операции.
Технология применима для сварки других материалов, к примеру, термопластов, керамики, магнитных сплавов и т. д.
Небольшая площадь стыкового сварочного шва.
Безопасность процесса, так как отсутствуют рентгеновское излучение и выделение вредных продуктов сгорания.
Сварку детали можно произвести через прозрачный экран.

При переходе на новое изделие или при смене материала для изменения настроек оборудования затрачивается минимальное время.

Нет ни одной идеальной технологии. Помимо плюсов у лазерной сварки труб существуют и некоторые недостатки:

Из-за высокой стоимости оборудования, запчастей и расходных материалов такая технология применяется только на крупных производствах.
Ограничения по КПД: у твердотельных установок – коэффициент полезного действия не превышает 1 %, а газовых – может составить максимум 10 %.
Проведение работ на оборудовании требует специальной подготовки и уровня квалификации.
Свойство изделия отражать световой поток отражается на эффективности работы оборудования.
К помещениям, в которых размещено и эксплуатируется оборудование, предъявляются особые высокие требования: показатель влажности, запыленность (чистота воздуха) и уровень вибрации.

Несоблюдение правил по эксплуатации оборудования может стать причиной получения ожогов оператором.

При проведении сварочных работ могут возникнуть следующие дефекты шва: образование шлака, раковин, сквозных отверстий, непроваренных участков, пустот и трещин. В основном это происходит из-за низкой квалификации обслуживающего персонала либо неточной настройки оборудования, а также при нарушениях контроля рабочего процесса.

Рабочие параметры лазерной сварки

Существует несколько параметров, по которым осуществляется лазерная сварка труб.

По глубине проплавляемого слоя лазерная сварка подразделяется на следующие виды:

микросварка – при проплавлении на глубину до 0,1 мм;
минисварка – от 0,1 до 1,0 мм;
макросварка – при плавлении материала по линии шва с глубиной более 1 мм.

По площади контакта свариваемых заготовок:

Шовное сваривание – является наиболее востребованным способом при работе с нержавеющими материалами и трубами. Формируемый шов довольно надежный, несмотря на его маленькую площадь.
Точечное сваривание – наиболее востребованный способ при операциях с мелкими деталями (до 100 мкм включительно). Чаще всего применяется в радиоэлектронной промышленности.

Помимо этого, используется для сварки тонкостенных материалов. Для этого необходимо перед запуском процесса лазерной сварки выставить базовые режимы для обеспечения заданной глубины плавления.

По видам выполнения лазерная сварка разделяется на:

Стыковую. Операция проводится без применения флюса и присадок. При этом стык между свариваемыми элементами составляет не более 0,2 мм.

Технология заключается в «кинжальном» проплавлении соединяемых заготовок на всю толщину. При этом интенсивность излучения не превышает значения 1 мВт/см².

Такой способ сварки требует обязательного предохранения формируемого шва от окисления (для этой цели используют азот, аргон или инертные газы). Применение гелия позволяет избежать возможных пробоев материала.

Сварка внахлест. Такой способ предусматривает укладку краев подготовленных листов один на другой и соединение их с помощью мощного излучения лазера.

При таком варианте выполнения необходимо предварительно локально закрепить элементы для сварного соединения. Величина зазора между их поверхностями не должна превышать 0,2 мм.

Для более высокого качества шов следует выполнить дважды.

Комплектация оборудования для лазерной сварки труб

По оснащению автоматическими устройствами сварочные лазерные установки подразделяются всего на два вида: ручные и автоматические.

Первый тип применяют преимущественно на средних или малых металлообрабатывающих предприятиях. Термин «ручная» не означает, что процесс сварки производится только с помощью рук. Размеры сварочного аппарата довольно внушительные. Большинство моделей оснащаются колесными парами для перемещения и установки на другое место.

Второй вариант используют исключительно на крупных промышленных производствах, в первую очередь в машиностроительной и судостроительной отраслях по причине высокой стоимости оборудования.

Промышленные лазерные сварочные установки всегда обладают одинаковой комплектацией, в которую входят:

Система охлаждения.
Источник питания.
Оптический резонатор.
Система управления мощностью лазера, его фокусировкой и перемещением.
Система подачи газов, которая используется для защиты поверхностей свариваемых поверхностей (или элементов).
Блок передвижения заготовки и луча.
Блок фокусирования.
Сварочная головка, оснащенная линзой.
Технологический лазер (твердотельный или газовый).

Аппараты лазерной сварки труб и других металлических изделий могут оборудоваться CCD-мониторами или микроскопами, с помощью которых легче контролировать рабочие процессы, связанные с ремонтными работами (пайкой, сваркой) заготовок очень маленьких размеров.

Поставка сварочного оборудования может происходить в нескольких компоновках. Существуют и портальные или консольные установки, могут быть манипуляторы-роботы. Управлять оборудованием можно посредством автоматов (оснащенных системами с ЧПУ), так и вручную (с применением выносного пульта). В первом варианте предусмотрено применение специальных программ, а при втором – управление перемещением, скоростью и рабочим процессом закрепляется за оператором.

Промышленное оборудование оснащается одним из двух видов лазера: твердотельным или газовым либо применяется смешанный вариант.

Виды лазерной сварки

По виду сварочные установки подразделяются на твердотельные и газовые лазеры:

Твердотельные, в основе которых трубка, имеющая внутри отражающую поверхность – зеркало насыщения.

Твердотельная лазерная сварка труб производится с помощью электродов специального назначения. Они могут быть рубиновыми или стеклянными, с добавлением неодима.

Мощность такой установки не превышает 6 кВт. Поэтому твердотельная лазерная сварка может применяться только для сваривания металлических заготовок небольшой толщины.

С помощью такой лазерной установки можно сваривать золото, нихром, тантал или расплавить проволоку толщиной меньше 1 мм и произвести точечную сварку тонких фольгированных деталей.

Внутри трубки устанавливается рубиновый стержень трубчатой цилиндрической формы, который и выполняет функцию преломляющей линзы для образования лазерного луча.

К внешнему контуру подводятся токи возбуждения. Их также подают и на лампу, которая воспроизводит высокочастотные кратковременные световые импульсы, аккумулируемые рубиновой трубкой.

Вслед за этим внутри рубинового стержня появляется лазерный пучок с высокой ионизацией. Далее лазерный луч выходит с помощью направленного магнитного поля.

Отличительной чертой лазерной сварки является маленькая мощность лазерного луча, поэтому их используют для обработки только малогабаритных и легкоплавких деталей.

Такие лазеры активно применяются в сфере микроэлектроники: при производстве микрораспределителей, микросхем, тиристоров и диодов.

Газовые лазерные установки обладают значительно большей мощностью. Их отличие от твердотельных лазеров в том, что во внутреннее пространство отражательной трубки закачивается смесь ионизирующего газа, преимущественно СО₂ + N₂ + Не.

Установки газовых лазерных сварок намного мощнее твердотельных, поэтому их область применения значительно шире. Здесь функцию электродов выполняет аргон. Большие габариты и вес являются существенными минусами таких лазеров.

Тем не менее, такие установки обладают большой мощностью, которая может достигать 20 кВт. Фактически такой аппарат способен сваривать элементы со скоростью до 60 м/ч без ее снижения.

К самым внушительным типам лазеров относятся газодинамические. Для того чтобы газ начал функционировать, его необходимо разогреть до возникновения ультравысокого давления. Такое оборудование способно варить металлы со скоростью 200 м/ч.

Газодинамические лазеры используются только на производствах с большим масштабом продукции.

С помощью таких установок можно сварить нержавейку, стекло, алюминий. Такое оборудование имеет широкую область применения. Однако здесь стоит учесть один немаловажный момент.

Область сварки при работе с лазером необходимо защищать от воздействия кислорода, так как это может негативно отразиться на качестве шва. Из-за того, что испарение металла происходит мгновенно, световой пучок рассеивается стремительно.

Чтобы этого не произошло, следует для угнетения плазмы подавать газ. Эту функцию выполняет гелий, потому что он не препятствует аргону и не допускает рассеивания лазера.

Для лазерной сварки труб соединяют аргон и гелий в равной пропорции, тем самым одновременно используя две функции: подавляющую и защитную.

Принцип работы такой лазерной установки не сложен: в трубку устанавливаются два электрода, являющиеся возбудителями возникновения направленного заряда лазера в среде газа.

Лазерным лучом управляют магнитные поля высокой мощности.

Для защиты от перегрева рабочей полости с азотом из-за импульсного воздействия электродов такое сварочное оборудование оснащается водяной системой охлаждения.

Газодинамический лазер по своему устройству подобен обычной газовой лазерной установке, но отличие его в том, что газ при номинальной температуре +10 000 °С подают через отверстие сопла Лаваля, в котором происходит его ионизация и превращение в лазерный поток ионов газа.

В промышленности, помимо газовых и твердотельных установок, применяют гибридные (комбинированные) лазерные установки. Они предназначены для соединения заготовок с толщиной стенок более 2 см.

Помимо стандартного перечня оснащенности, устанавливают электродуговую горелку и механизм с подачей заготовок в сварочную ванну.

Лазерная сварка труб является популярной и современной технологией, предназначенной для качественного и прочного соединения различных металлов. Однако прежде чем приступить к работе с таким оборудованием, необходимо внимательно ознакомиться с важными особенностями и технологическими принципами данного процесса, от этого зависит качество готового изделия. Кроме того, необходимо обладать определенными навыками, знанием и опытом.

Сварка нержавеющих труб

На сегодняшний день сварка нержавеющих труб является весьма востребованной, так как этот материал активно применяется в тех отраслях, где необходимы его антикоррозионные свойства. К примеру, трубопроводы из нержавейки используются в пищевом производстве, а также в коммунальном хозяйстве.

Именно сварка позволяет получить высококачественный технологический шов, обеспечивающий стопроцентную надежность. Сварные работы на нержавеющих трубах выполняются по специальным технологиям. Какие именно рекомендации выдвигаются при этом и как облегчить монтаж, расскажем в нашей статье.

В чем особенности сварки нержавеющих труб

Нержавеющая сталь входит в группу высоколегированных сплавов, в которых основное место занимает хром. Кроме этого, в состав нержавейки входят никель, титан, молибден и другие компоненты, способствующие повышению устойчивости стали к окислению и коррозии.

Самой эффективной технологией соединения деталей из нержавеющей стали является сварка.

Особенности технологии сваривания нержавеющих труб:

Невысокая степень свариваемости оказывает существенное влияние на характеристики соединения.
Из-за низкой теплопроводности нержавеющая сталь в процессе сварки проплавляется, даже если используется ток небольшой силы.
Повышенный коэффициент расширения способствует «растяжению» изделия при нагревании. Соответственно, при остывании заготовка будет сжиматься. Наличие в структуре конструкции инородных металлов с небольшим коэффициентом расширения приводит к образованию микротрещин. В связи с этим, при сварке нержавеющих труб нужно правильно подойти к выбору расходных материалов.
При температуре свыше + 500 °С в нержавеющих трубах будут протекать процессы межкристаллитной коррозии, для предотвращения которой нужно внимательно выбирать режим сварки и осуществлять принудительное охлаждение свариваемых деталей.

Сварка нержавеющих труб, особенно если они имеют тонкие стенки, должна осуществляться с учетом характеристик материала, который существенно отличается от обычной стали. Нержавейка отличается низкой теплопроводностью (почти на 70 %), а следовательно, при ее сваривании увеличивается вероятность прожига металла в местах соединения. Чтобы избежать перегрева кромок труб, для сваривания нержавеющей стали показатель силы тока должен быть на 20 % ниже, чем при работе с изделиями из черного металла.

Высокий коэффициент температурного расширения нержавейки повышает риск деформации и растрескивания материала в зоне сваривания. Чтобы избежать таких последствий, между соединяемыми кромками труб следует оставлять технологический зазор. Такое решение позволяет металлу расширяться, поэтому последствия деформации будут минимальными.

При выполнении сварки нержавеющих труб высоколегированными электродами нужно учитывать высокое сопротивление нержавейки. Таким образом, электроды будут перегреваться, снижая качество шва. Если у вас нет возможности использовать другую технологию сварки, нужно до минимума уменьшить длину электродов.

Основные технологии сварки нержавеющих труб

Широкое использование нержавеющей стали для изготовления различных конструкций и деталей способствовало развитию технологий сваривания подобных сплавов. Сварка нержавеющих труб по ГОСТу может выполняться различными способами: с использованием ручных аппаратов дугового сваривания MMA, вольфрамовым электродом в аргоновом слое TIG, полуавтоматическими устройствами в инертном газе – MIG/MAG, лазерным оборудованием.

В отличие от процессов сваривания деталей из углеродистых сталей, для выполнения работ с нержавейкой нужно использовать специальные технологии, учитывающие физические характеристики и химический состав этого материала.

В большинстве случаев перед сваркой детали из нержавеющей стали нужно прогреть. Этот этап необязателен для сплавов, содержание углерода в которых не превышает 0,2 %. Для сваривания деталей из нержавеющей стали, толщина которых превышает 0,3 см, их прогревают до температуры +150 °C.

На промышленном производстве для сваривания нержавеющих труб могут использовать методы плазменной, высокочастотной и лазерной сварки.

В домашних условиях для таких работ может применяться:

Использование феррита помогает защитить сварочный шов от коррозии, помимо этого, повышается стойкость к горячему растрескиванию. Сварка нержавеющих труб полуавтоматом обычно выполняется током обратной полярности. В противном случае дуга не будет устойчива. Если сварка происходит по вертикали или на потолке, то мощность тока снизиться до 30 %. Для предотвращения возникновения водородных пор электроды проходят процедуру прокаливания.

Если необходимо соединить трубы толщиной от 3 до 50 мм, используют сварку под флюсом. Поскольку при использовании этого способа осуществляется плавный переход между нержавеющей сталью и швом, соединение будет меньше подвергаться коррозии. При работе флюсом затрачивается меньше усилий, потому что стенки труб гораздо толще (более 10 мм), чем при сварке ручным способом (обычно 4 мм). Вылет электродов здесь меньше в два раза, чем при обычном значении. Помните, что флюс необходимо прокаливать перед началом работы.

Используя углекислый газ при сварке нержавеющих труб, вы получите оксидную пленку на шве, а также множество брызг. Это означает, что стойкость шва к коррозии окажется низкой. Для ее увеличения используют эмульсии.

Что необходимо при сварке нержавеющих труб

При сварке нержавеющих труб необходимо обратить внимание на несколько важных моментов, которые перечислены ниже:

Используйте напильник, шлифовальную машинку (болгарку) или бумагу для очищения кромок трубы.
Чтобы убрать жирный налет с кромок, воспользуйтесь ацетоном. Помимо этого, вещество поможет наладить стабильную работу электрической дуги. Сварка будет более высокого качества.
Обязательно оставьте небольшое отверстие между двумя деталями. Так вы сможете избежать деформации частей при работе с ними.

Виды сварки нержавеющих труб

Необходимо следовать конкретной технологии при работе с тонкостенными нержавеющими трубами. В этом случае вы сможете получить сварочный шов высокого качества, который будет надежно и долго служить вам. Конструкция, сваренная подобным образом, будет высококачественной и привлекательной внешне.

Сварка нержавеющих труб электродом.

Часто неопытные сварщики задаются вопросом о том, можно ли варить нержавеющую сталь, используя обычные электроды. Стоит заметить, что проводить сварочные работы со сталью, стойкой к коррозии, обычными электродами можно. Если у вас нет под рукой специальных материалов для сварки, можно использовать обычные расходники. Такую технику обработки сварщики используют лишь в домашних условиях, поскольку к промышленной сварке предъявляются более серьезные требования к качеству и надежности работ.

Если говорить о технологической стороне работ, то лучше использовать электроды со специальным покрытием. Простые электроды негативно влияют на качество, поскольку нержавеющая сталь может покрыться микротрещинами.

Подводя итоги, можно сказать, что сваривать детали из нержавеющей стали обычными электродами можно. Но лучше оставить этот вариант на крайний случай.

Сварка нержавеющих труб аргоном.

Работу с аргоном проводят при использовании неплавящихся вольфрамовых электродов, которые закрепляют в центре сопла, оттуда газ направляется к стыку. При этом создается особая защитная зона. Сварочный шов образуется при плавлении проволоки, которая может подаваться как автоматически, так и вручную.

Сварщик должен помнить, что шов накладывают продольными движениями горелки и проволоки. Если случайно выйти за пределы зоны сваривания, шов не будет качественным. Проводить сварку аргоном лучше с двусторонним поддувом. Избегайте касаний деталей электродом. Правило действует даже при розжиге дуги. Опытные специалисты чаще всего пользуются графитовыми или угольными пластинами, с помощью которых удобно перемещать дугу. Зона сварки должна находиться в аргоновой среде в течение 10 секунд. В таком случае шов остынет быстрее и не будет подвержен последующему электродному окислению.

Как уже упоминалось выше, сварка нержавеющих труб аргоном выполняется с поддувом с обеих сторон. Как это лучше сделать:

забиваем пробку в любой торец одной из труб при помощи подручного материала;
стыки двух труб закрепляем при помощи изоляционной ленты;
аргон закачивается через отверстие второй трубы посредством горелки;
как только трубы заполняются аргоном полностью, открытая сторона также закупоривается;
изоляционная лента убирается, начинается сварка.

Орбитальная сварка нержавеющих труб.

Принцип работы такой же, как и при аргонодуговом способе. Однако сварочная головка проводит работу вдоль стыка, по окружности. За счет этого шов получается непрерывным. Поэтому и метод называется орбитальным. Сварка контролируется специальным процессором, поскольку процедура полностью автоматическая. Длина дуги определяется за счет крепления ее к сварочной головке в необходимом положении.

Функции процессора позволяют менять параметры работы в зависимости от работы головки при орбитальной сварке. Необходимо разделить весь стык на вертикальные, горизонтальные и угловые участки. Когда сварочная головка будет проходить по любому из участков, система сама изменит параметры на нужные:

параметры сварочного тока;
быстрота работы головки;
использование аргона;
темп подачи проволоки.

Так как процессор позволяет сделать условия для сварки максимально оптимальными, шов получается однородным и высококачественным. Трубы диаметром от 8 до 275 мм соединяют при помощи головки открытого вида. Изделия с большим диаметром наполняют инертным газом, а затем используют закрытый вид конструкции. Для прочной сварки толстых труб необходимо проводить работы в несколько этапов, при этом меняя угол наклона сварочной головки. Весь процесс занимает больше времени, чем при других видах сварки, поэтому в комплекте также имеется блок для охлаждения устройства.

Холодная сварка нержавеющих труб.

В данном случае для соединения необходимо применить специальный двухкомпонентный клей. Обычно его используют на время, при ремонте труб. Смесь компонентов наносят на нужное место, затем вся сварка затвердевает. Помните, что подобный вид сварки не может быть использован при работе с металлами разного рода. Холодную сварку может проводить любой человек без специальной подготовки.

Плазменная сварка нержавеющих труб.

Для сварки нержавеющих труб плазмой могут использоваться два метода:

Ручной способ сваривания пи помощи дуги, возникающей между поверхностью трубы и электродом, с током от 0,1 до 15 А.
Автоматическое сваривание с применением плазмотрона. В этом случае процесс сварки нержавеющих труб осуществляется за счет плазменного пучка, который формируется током свыше 100 А.

Какой бы метод сварки нержавеющих труб вы ни выбрали, нужно помнить, что долговечность и надежность трубопровода будет зависеть от качества сварного шва. Добиться нужного результата можно и ручным свариванием, но лучше для такой задачи приобрести полуавтомат для аргоновой сварки (такое оборудование имеет маркировку TIG). С помощью такого аппарата можно эффективно соединять трубы с толщиной стенок более 1 мм.

Читайте также: