POLYSOUDE — Орбитальная сварка труб ПОЛИСУД

Автоматы для орбитальной сварки

Применение этих устройств связано с широким использованием трубных конструкций в современной промышленности. Орбитальные сварочные головки необходимы в тех случаях, когда возникает необходимость избежать поворота самого свариваемого изделия (трубы) во время сварки: при сварке неповоротных стыков трубопроводов, приварке фланцев и отводов к трубам и вварке труб, штуцеров и патрубков в трубные доски. Наибольшее распространение головки для орбитальной сварки нашли при изготовлении и монтаже объектов теплоэнергетики (котлов, бойлеров, парогенераторов), оборудования для химической, пищевой, фармацевтической промышленности, в двигателестроении, судостроении, авиастроении, при строительстве магистральных трубопроводов.

POLYSOUDE - Орбитальная сварка труб ПОЛИСУД


Создание оборудования комплексов орбитальной сварки требует больших инвестиций из-за сложности самой технологии орбитальной сварки, и его производство под силу только крупным компаниям, специализирующимся на разработках именно в этой области. Поэтому многие фирмы, выпускающие сварочное оборудование, не производят орбитальные головки сами, а заказывают их под своей торговой маркой. На мировом рынке представлено оборудование для орбитальной сварки под торговыми марками Air Liquide (Франция), ESS Schweisstechnik (Германия), Maus (Италия), Oerlicon Schweiss-technik (Швейцария), Orbitec (Германия), SAF (Франция), TIG-A-MATIC (Германия), Protem (Германия). На российском рынке оборудование для орбитальной сварки предлагают в основном крупные  иностранные  производители — Polysoude (Франция), Axxair (Франция), ESAB (Швеция), Arc Machine Inc. (США). В СССР разработка и производство такого оборудования велись в организациях Минмонтажспецстроя, Минатомэнерго и Минавиапрома. Однако производилось его мало, и поступало оно только на специализированные предприятия. Сейчас такие установки изготавливают НПО НИКИМТ (Москва), ОАО «Электромеханика» (Ржев), НПФ «Технотрон» (Чебоксары), ООО «Констар» (Обнинск) и различные небольшие организации (в основном это монтажные управления бывших советских министерств).


В статье мы не будем касаться специальных видов оборудования (каждая такая установка требует отдельной статьи, а то и книги) и рассмотрим только те типы орбитальных сварочных головок, которые выпускаются серийно и предназначены для решения наиболее широкого круга задач.

Применяемые методы сварки

Из-за перемещения сварочной ванны вокруг стыка по круговой орбите (откуда и пошло название орбитальных сварочных головок) для данных устройств можно использовать только методы сварки в защитных газах. Чаще всего применяют метод сварки непла-вящимся электродом в среде аргона (TIG или WIG, или GTAW); для труб большого диаметра — сварку плавящимся электродом в углекислом газе или его смесях с автоматической подачей присадочной проволоки (MIG/MAG или GMAW); для труб из титана, алюминиевых сплавов и прочих специальных сплавов возможно использование плазменной или микроплазменной сварки. Сварка методом TIG (GTAW) и плазменная сварка в зависимости от толщины стенки трубы и применяемой разделки кромок могут вестись как с подачей присадочной проволоки, так и без нее.

POLYSOUDE - Орбитальная сварка труб ПОЛИСУД

При сварке стыков толстостенных труб (толщина стенки более 4 мм), когда возникает необходимость снятия фаски под сварку, подойдет комплексный метод — корневой проход сваривается методом TIG или плазменной сваркой, а заполняющий и облицовочный валики накладываются методом MIG/MAG. Такое сочетание позволяет получить соединение высокого качества, которое практически нет необходимости подвергать дальнейшей обработке (зачистке, снятию усиления шва и т. д.).


Одним из самых современных методов орбитальной сварки является плазменная сварка глубоко проникающей импульсной дугой с подачей подогретой присадочной проволоки.

Источники питания для орбитальной сварки

Источниками питания для орбитальной сварки служат в основном инверторные выпрямители постоянного (DC) или постоянного/переменного (AC/DC) тока. Выпрямители классического типа используются редко (в основном отечественными производителями — для снижения цены).
Выбор инверторных источников питания обусловлен несколькими причинами: необходимостью получения шва высокого качества (особенно при сварке трубопроводов для пищевых или агрессивных жидкостей или трубопроводов, работающих под давлением), потребностью в регулировании на источнике многочисленных параметров сварки и быстром переключении его на различные режимы. Источники питания иностранного производства имеют микропроцессорное управление, встроенные блоки синергетичес-кого управления и способны программировать и контролировать следующие параметры режима сварки:

  • высокочастотное зажигание дуги;
  • плавное нарастание тока после зажигания дуги;
  • ток сварки;
  • напряжение дуги;
  • длину дуги (система AVC — Arc Voltage Control — регулировка длины дуги контролем напряжения);
  • параметры импульсного режима (ток, время и форму импульсов, синхронизацию импульсов, ток и время паузы, баланс импульсов по отношению к нулевой линии тока);
  • плавный спад тока (режим заварки кратера);
  • подачу защитного газа до и после сварки.

POLYSOUDE - Орбитальная сварка труб ПОЛИСУД

Безусловно, далеко не все источники питания имеют такое количество регулировок. Для многих моделей вполне достаточно тех функций, которые имеют обычные инверторы для сварки TIG (ток и напряжение дуги, импульсные регулировки, управление подачей  защитного  газа).  Большое значение имеют функции управления сварочной головкой, поддерживаемые источником:

  • скорость вращения сварочной головки вокруг стыка;
  • контроль за положением электрода по отношению к стыку (система слежения за стыком);
  • порядок перемещения электрода по траектории (включая перекрытие шва в конце сварки на 3–5° и возможное разбиение стыка на секторы с заданием порядка сварки различных секторов);
  • возврат сварочной горелки в начальное положение по окончанию сварки;
  • скорость подачи присадочной проволоки, подача подогревающего тока на присадочную проволоку (при сварке с подачей присадки);
  • колебания электрода поперек оси стыка (включая задержки электрода на краях разделки);
  • вертикальное и угловое перемещения электрода;
  • подача защитного газа в горелку и поддув защитного газа к корню шва (внутрь свариваемой трубы);
  • управление системой слежения за процессом сварки (некоторые комплексы орбитальной сварки комплектуются телевизионными или лазерными камерами наблюдения).

Некоторые источники питания могут подключаться к персональным компьютерам. В этом случае облегчается программирование режимов сварки, которое можно выполнять не в цехе или монтажной площадке, а в условиях технологических бюро. Большим преимуществом является режим записи и сохранения реальных параметров сварки. За счет этого существует возможность получения протоколов сварки каждого стыка, что значительно облегчает работу по сварке трубопроводов, подведомственных Гостехнадзору и другим контролирующим организациям. Такой протокол можно записать на дискету или передать по компьютерной сети в технологическое бюро, или хранить в памяти системы управления самого источника питания; при необходимости протокол сварки можно распечатать для контроля или анализа. Для удобства работы источники питания комплектуются переносными пультами управления, которые дают возможность оперативного управления процессом сварки непосредственно с рабочего места.

Автоматы для орбитальной сварки (или орбитальные сварочные головки) условно можно разделить на: закрытые орбитальные сварочные головки; открытые головки; самоходные орбитальные механизмы и головки для вварки труб в трубные доски.


Закрытые орбитальные  головки используются на трубах малого диаметра (начиная с наружного диаметра 2,5 мм) или для сварки особо ответ ственных стыков. Такие головки имеют полукольца для каждого диаметра трубы, при помощи которых происходит зажим свариваемых труб (рис. 4). После установки головки на трубе и проверки положения стыка верхняя часть головки закрывается специальными защелками. Полукольца фиксируют стык и одновременно обеспечивают герметичность реакционного пространства. Таким образом, сварка происходит фактически в камере с контролируемой атмосферой, состоящей из защитного газа. Электрод горелки находится внутри зубчатого кольца и за счет вращения этого кольца от привода головки «обегает» стык по заданной программе.

Закрытые орбитальные головки являются наиболее простыми по конструкции. На них можно реализовать только сварку методом TIG без подачи присадочной проволоки и без поперечных колебаний электрода.

Открытые орбитальные головки, в которых также используется сварка методом TIG, нашли применение для сварки стыков на трубах в диапазоне диаметров от 100 до 500 мм. На монтажной скобе головки крепится привод вращения, кольцевая направляющая со сварочной горелкой и фиксатор. Такая головка крепится только на одну из свариваемых труб, поэтому для качественной сварки необходимы различные системы фиксации стыка. Кабель-пакет, в котором собраны сварочный кабель, провода управления и газовый шланг, подводится непосредственно к горелке. Для предотвращения попадания кабель-пакета в зону сварки на скобе головки устанавливаются специальные поддерживающие втулки.


Открытые головки могут комплектоваться системами поперечного колебания электрода (обычно эксцентриковые осцилляторы или крестовые суппорты) и механизмами подачи присадочной проволоки. Различные варианты открытых орбитальных головок показаны на рисунке 5.

Головки для вварки труб в трубные доски применяются при изготовлении котельного оборудования и водонагревателей. Внешне эти головки напоминают дрель. Применяемый метод сварки — TIG (GTAW). Головка устанавливается непосредственно на ввариваемый патрубок или на соседние патрубки и крепится на внутреннем диаметре трубы разжимным фиксатором. В зависимости от типа сварного соединения (рис. 6) сварочная горелка головки перемещается по кругу внутри либо снаружи патрубка под углом к его оси. При установке патрубка заподлицо с трубной доской электрод горелки поворачивается перпендикулярно к трубной доске. При вварке труб с большой толщиной стенки, когда возникает необходимость разделки кромок, сварочные головки оснащаются механизмами подачи присадочной проволоки — внешними или встроенными в горелку.

Рис. 7. Внешний вид (а) головки для вварки труб в трубные доски, установка головки на трубной доске (б), расположение сварочной горелки (в)


Существенным отличием от открытых орбитальных головок является коллекторный подвод сварочного тока, что делает головки для вварки труб сложными по конструкции и требующими специального обслуживания.

Самоходные орбитальные механизмы применяют при сварке стыков труб большого диаметра (от 160 мм и более) и приварки фланцев к трубам. Применяемые методы сварки — TIG (GTAW) с подачей холодной или подогретой присадочной проволоки, MIG/MAG (плавящимся электродом в защитном газе), FCAW (плавящейся порошковой проволокой), плазменная сварка с подачей присадочной проволоки. Механизм перемещается вокруг стыка по различным вариантам направляющих, устанавливаемых на трубе:

  • жесткий зубчатый венец (приводное зубчатое колесо перемещается по зубьям венца);
  • роликовая цепь, натянутая на трубе (приводная звездочка прокатывается по роликам и одновременно натягивает цепь для фиксации положения механизма на трубе);
  • гибкие кольцевые направляющие шины (механизм крепится боковыми упорами за шину, перемещение по трубе осуществляется приводными роликами).

Для перемещения механизма применяют приводы постоянного тока с тиристорным управлением и высокоточные низкооборотные планетарные редукторы. Конструкция самоходных механизмов позволяет использовать некоторые из них для сварки прямолинейных швов на плоских или криволинейных конструкциях с небольшой кривизной (рис. 9).

При конструировании самоходных орбитальных механизмов часто применяют модульный принцип. Это позволяет быстро заменять горелки для различных методов сварки в процессе эксплуатации и при необходимости устанавливать на механизме дополнительные опции — крестовой суппорт для поперечных колебаний электрода, шарнир для поворота сварочной горелки, устройство подачи присадочной проволоки и т. д.


К вспомогательным механизмам и опциям оборудования для орбитальной сварки относятся:

  • различные системы подачи проволоки (холодной или подогретой) для сварки методом TIG;
  • автономные блоки водяного охлаждения (применяются очень часто, учитывая напряженный режим работы оборудования);
  • наружные и внутренние центраторы и зажимы для стыков труб;
  • системы газовой защиты остывающего шва;
  • системы газовой защиты корня шва изнутри.

Многие из этих опций (как, например, центраторы, наружные и внутренние системы газовой защиты) настолько разнообразны и специфичны, что рассказ о них — это тема отдельной статьи.

Требования к подготовке стыков под сварку

Учитывая, что орбитальная сварка является односторонней и порой отсутствует возможность подварки корня шва изнутри, иногда применяют сварку на остающемся подкладном кольце. Однако очень часто условия эксплуатации трубопровода не позволяют уменьшить внутреннее проходное сечение трубы. Поэтому при сварке труб с толщиной стенки свыше 3 мм рекомендуется применять разделку кромок. Некоторые варианты разделки кромок приведены на рисунке 10.
Высокие требования к качеству сварного шва на трубопроводах вынуждают применять специальные технологии подготовки стыков под сварку. При этом очень важным оказывается соблюдение следующих требований:


  • перпендикулярность плоскости стыка к оси трубы;
  • отсутствие грата при резке;
  • чистая плоскость реза;
  • точность установки зазора при сборке стыка под сварку;
  • минимальные допуски на элементы разделки кромок (если она применяется).

Для точного изготовления сложных разделок (рис. 10 д, е, ж) чаще всего применяют труборезы с резцами, которые работают по принципу токарных станков. На таких труборезах, используя различные типы резцов, можно осуществлять резку, торцовку и разделку кромок. Точную отрезку труб, исключающую операцию торцовки, можно выполнять на токарных или трубо-резных станках.

Однако удобнее воспользоваться специальными станками для орбитальной резки труб. У этих станков резка осуществляется тонкой дисковой фрезой (пильным диском), у которой количество зубьев точно соответствует толщине стенки трубы. Труба фиксируется в зажимных губках и остается неподвижной во время всей операции резки. Привод резки поворачивается вокруг трубы (вручную или автоматически), таким образом, вращающаяся фреза совершает круговое движение вокруг трубы, осуществляя точную резку, гарантирующую отсутствие грата. При установке специальных угловых фрез на трубе можно снимать фаску под V-образную разделку с различными углами.

Интересен опыт компании Axxair (Франция), которая совместила станки для орбитальной резки труб со сварочными головками (без подачи или с подачей присадочной проволоки). Модульный принцип позволяет использовать семь зажимных устройств в диапазоне диаметров труб от 5 до 620 мм для орбитальной резки (три типа приводов резки — два электрических и один пневматический) и орбитальной TIG-сварки. Такое решение позволяет создать удобный и гибкий комплекс технических средств для изготовления в цеховых условиях, например, следующих узлов и изделий: гидроцилиндры, приварка отводов к трубам, сварка методом TIG корневого прохода стыков толстостенных цилиндрических изделий, резка и сварка цельнотянутых токостен-ных труб и другие. Принципиальное построение системы для обработки труб от Axxair изображено на рисунке 11.

Назад

Особенности вида сварки

Оборудование для неразъемного соединения неповоротных стыков труб имеет возможность вращаться вокруг металлического изделия, тогда как само изделие неподвижно. Поэтому способ получил такое название. Вращение устройства вызывает некоторое действие на сварочную ванну, что требует своевременное изменение установленных параметров. Чаще всего орбитальная сварка труб применима при монтаже трубопроводов в ограниченных условиях, где либо у сварщика нет возможности расположиться комфортно, либо свободное место не позволяет разместить громоздкое оборудование.

POLYSOUDE - Орбитальная сварка труб ПОЛИСУД

Базовым сегментом всей работы выступает дуговая сварка неплавящимися в среде инертных газов электродами. Самые известные смеси — аргон с водородом, либо с гелием или чистый аргон. В зависимости от соотношения компонентов, можно добиться увеличения скорости сваривания заготовок, повысить глубину провара или минимизировать количество брызг на поверхности.

Сварное оборудование для орбитальной сварки напоминает аргонодуговой аппарат, однако отличается повышенной производительностью и мощностью.

Компоненты системы для работы

Оборудование имеет два основных элемента:

  • источник тока;
  • орбитальную голову.

Задача первого — подача электрического тока к месту контакта и контроль за параметрами процесса. Второго — вращение горелки (электрода), обеспечение непрерывного цикла работы. Отсутствие одного из элементов делает процесс невозможным.

Сегодня в качестве источника тока используется инвертор, за счет которого проводится контроль:

  • силы тока;
  • частоты вращения головки;
  • расхода газа;
  • скорости подачи проволоки.

Также задача инвертора — установка профиля шва, программирование режима работы исходя из диаметра труб, материала и используемого газа.

Орбитальная голова (иначе именуемая просто сварочной) бывает двух видов:

  • закрытая;
  • открытая.

Первые используют в закрытых камерах, предварительно наполняемых инертным газом для защиты свариваемых и сварных элементов. Достоинством головок данного типа является надежность процесса — даже нарушение герметизации стыка деталей не влияет на целостность и качество шва, ведь туда не попадет кислород.

POLYSOUDE - Орбитальная сварка труб ПОЛИСУД

Вторые головы используются при соединении толстых деталей, которым необходим наполнитель, а цикл повторяется многократно с использованием оного. Рабочий элемент горелки наклоняется под разными углами, а это облегчает сварку угловых участков и небольших заготовок.

При работе головок обычно используется вольфрамовый электрод, а сам элемент включает ограничитель — контролер длины дуги.

Отличия орбитальной сварки от ручной

К числу основных отличий относятся:

  1. Возможность поворота орбитальной головки на угол до 360 градусов вокруг обрабатываемой детали.
  2. Минимизация усилий оператора (ручного труда) за счет внедрения в современные устройства компьютерного управления.
  3. В 90% случаев используются вольфрамовые электроды.

Во многом чистота аргона определяет эффективность всего процесса. Например, для работы в обычных промышленных условиях используют газ чистотой 99,95%. Орбитальная же сварка нержавеющих труб иногда требует аргона ультравысокой частоты (до 99,9998%).

Используемое оборудование

POLYSOUDE - Орбитальная сварка труб ПОЛИСУДДля орбитальной сварки применяется вольфрамовый электрод, параллельно с которым подается холодная проволока. Распространенные типы — аргонодуговая и TIG (ручная дуговая) сварка.

Для заготовок диаметром от 8 до 275 мм подходит головка открытого типа. Возможна ли орбитальная сварка труб малого диаметра? Высокая точность ручной дуговой сварки позволяет утвердительно ответить на вопрос. При помощи головок свариваются даже миниатюрные трубы диаметром от 1,6 мм.

Правила работы

Теперь — пара слов о контроле процесса. При орбитальной сварке необходимо следить за рядом параметров, а также провести небольшую подготовительную работу. В частности:

  • зазор между заготовками не превышает 5% от толщины трубы, иначе качество шва ухудшится;
  • аналогичное отклонение допустимо в отношении толщины стенки в районе сварки;
  • подготовить и использовать зажимы, стенды, позволяющие выстроить рядом две трубы.

Широкий спектр возможностей орбитальной сварки сделал ее востребованной в машиностроении, электротехнике, пищевой промышленности, судостроении, аэрокосмической отрасли, фармацевтике. Автоматизированный процесс востребован при строительстве ТЭС и ТЭЦ. Здесь применяется дорогостоящее оборудование ценой около миллиона рублей. Для работы с трубами малых диаметров достаточно приобрести съемную головку не дороже нескольких сотен рублей.

Если вам известны нюансы работы с оборудованием для орбитальной сварки или другие особенности вопроса, поделитесь своим опытом в обсуждении к статье.


Leave a Comment

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.