Значение нагрева при сварочных работах
Швы, полученные в результате сварки, имеют неоднородную структуру и свойства, а также сохраняют остаточные напряжения, что связано с неравномерностью нагрева в процессе обработки. В месте соединения температура металла достигает +1500 °С, в результате чего он плавится. Соседние же участки не подвержены сильному нагреву и находятся в твердом состоянии. В связи с этим механическая прочность металла в месте шва в 1,2–1,6 раза выше, чем аналогичные характеристики прилегающих зон и основного материала трубы.
Наиболее неблагоприятными для эксплуатации свойствами обладают следующие участки:
- перегрева. Участок характеризуется крупнозернистой структурой, определяющей низкую пластичность металла. Он образуется при нагреве низкоуглеродистых сталей на 300–400 °С выше верхней критической точки (Ас3);
- закалки. Возникает при обработке низколегированных сталей. Образуется в зоне, которая нагревается при сварке до +900…+1300 °С, то есть выше точки Aс3. В участке присутствуют структуры высокой твердости, имеющие низкую пластичность и ударную вязкость;
- разупрочнения. При сварке температура данного участка находится в интервале между нижней (Ас1) и верхней (Ас3) критическими точками, то есть в пределах +760…+850 °С. Зона разупрочнения отличается высокой пластичностью при пониженной прочности.
Одним из наиболее радикальных методов повышения качества сварных соединений является индукционная термическая обработка. Она позволяет улучшить структуру металла, снизить остаточные напряжения в сложных зонах.
Индукционный способ термической обработки
Он основан на принципе возникновения в металле вихревых токов под воздействием переменного электромагнитного поля. Генератором последнего служит индукционная система нагрева.
К преимуществам данного типа оборудования относятся:
- высокая производительность. Нагрев осуществляется очень быстро, что позволяет в сжатые сроки обработать сварное соединение;
- энергетическая эффективность. КПД индукционной системы нагрева составляет до 90 %, а потери теплоты в режиме ожидания невелики;
- высокое качество обработки. Обрабатываемый шов не контактирует с пламенем или иным нагревателем, следовательно, не окисляется;
- точность параметров. После настройки индукционной системы нагрева температура и время обработки поддерживаются автоматически;
- безвредность для окружающих. В процессе обработки не выделяются продукты горения. Нагрев производится вихревыми токами внутри металла.
Режимы термической обработки
Данный процесс состоит из трех этапов:
- индукционного нагрева сварного шва до необходимой температуры;
- выдержки в таком состоянии в течение некоторого времени;
- охлаждения с определенной скоростью.
При монтаже трубопроводных систем используются следующие режимы:
- термический отдых. Как правило, используется для сварных соединений в системах толстостенных труб, для которых применение других режимов нагрева затруднено;
- высокий отпуск. Такой обработке подвергаются сварные швы из сталей перлитного класса. Высокий отпуск позволяет снизить на 70–90 % остаточные напряжения, повысить пластичность и вязкость металла;
- нормализация. Нагрев снижает уровень остаточных напряжений, приводит к образованию однородной мелкозернистой структуры. Нормализации чаще всего подвергаются соединения в системах тонкостенных труб малого диаметра из стали перлитного класса, особенно если они выполнены методом газовой сварки;
- аустенизация и стабилизирующий отжиг. Оба этих вида термической обработки применяются для улучшения качества сварных соединений труб из высоколегированных марок аустенитного класса.
Особенности систем индукционного нагрева
Стандартное оборудование представляет собой источник питания в защитном корпусе с разъемами для подключения удлинительных кабелей. Индукционная система нагрева оснащается воздушным или жидкостным охлаждением, встроенным регулятором температуры. Опционально она может комплектоваться тележкой на колесах, а также электронным записывающим устройством. Программирование имеет два режима: ручной, когда оператор сам выставляет время обработки, и автоматический. В последнем случае выходная мощность зависит от текущей температуры детали.
Все системы имеют высокую степень защиты, исключающую поражение электрическим током при работе. Если разъем не закрыт заглушкой или к нему не подключен кабель, питание на него не подается. Некоторые модели оснащаются дистанционными выключателями.
Индукционные системы нагрева с воздушным охлаждением комплектуются специальным одеялом с кевларовым чехлом. Такое оборудование применяется при работе с надземными и подводными трубопроводами, в судостроении (для обработки кромок значительной длины), горной промышленности. Большинство моделей данного типа оснащены несколькими разъемами для удлинительных кабелей, что позволяет обрабатывать одновременно более чем одну деталь.
Системы с жидкостным охлаждением имеют дополнительный кабель, который подсоединяется к обрабатываемой детали. Он размещен в армированном силиконовом шланге. Это обеспечивает прочность последнего, создает необходимые условия для подачи жидкости, охлаждающей проводник тепла.
Индукционная система нагрева с жидкостным охлаждением используется для горячей посадки фланцев и других компонентов на вал, а также для их последующего снятия. Ее применяют при строительстве технологических трубопроводов в полевых условиях и сварочных цехах. В горной и судостроительной промышленности такое оборудование используют для быстрого нагрева кромок значительной протяженности — например, для швов деталей корпуса.