В настоящее время более 60% котельных труб, а также труб из нержавеющих сталей и сплавов поставляются в сварном исполнении. Их популярности способствует возможность использования данного вида труб в агрессивных средах: например, в активных зонах атомных реакторов допускается применение как бесшовных, так и сварных труб. За этим стоят стабильные технологии, современное оборудование, довольно глубокие и обширные исследования качества сварного соединения, которые в Украине продолжительное время практически не проводятся.
Относительно малая стоимость современных трубоэлектросварочных станов (ТЭСС) резко изменила географию мировой трубной промышленности (МТП). В последние годы они были установлены во многих странах Азии, Африки, Ближнего Востока, Латинской Америки. Ближайшие соседи Украины – Чехия, Польша, Греция, Румыния, Турция, Иран и другие страны сравнительно недавно установили современное оборудование, которое значительно превышает по техническим характеристикам имеющиеся станы на украинских трубных заводах.
Мировой опыт
В настоящее время, несмотря на накопленный мировой опыт, усилия разработчиков многих компаний направлены на создание новых и отработку существующих технологий и оборудования по производству сварных труб из цветных металлов. Разработки ведущих зарубежных фирм идут по пути дальнейшего повышения качества сварного шва и готовых труб, в целом, на основе оснащения трубоэлектросварных станов современными системами контроля качества, такими как ультразвуковые толщиномеры и дефектоскопы, оптико-электронные системы определения ширины шва, термоэлектрические системы, а также радиографического и лазерного контроля.
Определенных успехов в разработке технологий, производстве современного оборудования и собственно промышленном производстве качественных сварных труб из цветных металлов добились ряд зарубежных фирм. Так, фирмой Mannesmann Demag (Германия) оказывается весь спектр услуг по планированию и проектированию комплексных установок и технических систем для изготовления сварных труб, строительству под «ключ» современных цехов и мини-заводов. Фирма Tungum Hydraulics Ltd (Великобритания) достигла прогресса в производстве сварных труб из перспективного сплава (латуни) системы Al-Ni-Si. Фирмой “Marcegaglia S.p.A.” разработана прогрессивная технология производства качественных сварных труб из сталей, алюминия и меди. Фирма “Я-ро” (Финляндия) достигла успехов в производстве сварных труб из титана и сплава системы 90Cu-10Ni. Фирма “Keller” (Германия) известна как разработчик и изготовитель высокопроизводительных трубосварочных агрегатов непрерывного типа с лазерной сваркой в среде аргона для производства труб размерами 17-114 х 1,0-4,0 мм. Фирма “Dujardin Montbard Somenor” (Франция) известна своим оборудованием для производства сварных труб из цветных металлов наружным диаметром от 100 до 406 мм.
Фирма «W.F.Oppermann” (Германия) более 35 лет занимается разработкой и изготовлением оборудования для производства продольно-спиральношовных сварных труб, изготавливает трубы с наружным диаметром от 6 до 273 мм и толщиной стенки от 0,2 до 8,0 мм. Применяемые методы сварки: многокатодный WIG (TIG-способ), ТВЧ и лазерная сварка; применение линии светлого отжига интегрированного редуцирования и волочения сварных труб, что позволило увеличить длину готовых труб из легированной стали и титана для теплообменников и конденсаторов на 20 м. Этой фирмой запатентована линия производства холоднодеформированных прецизионных труб максимальным диаметром 60мм по сквозной технологии согласно схеме «расплав – непрерывная отливка слябов – прокатка полосы – раскрой полосы по ширине – формирование полосы в трубы – сварка труб – холодная деформация». При этом ширина ленты для средней трубы с номинальным диаметром 42 мм составляет 132 мм; линия изготавливает полосу шириной 1320 мм (причем 10-метровая полоса такой ширины достаточна для одной прецизионной трубы среднего размера). Предложенный технологический процесс предусматривает изготовление труб разных диаметров из ленты одного размера.
Фирма «МАS Seuthe GmbH» (Германия) изготавливает специализированную линию, предусматривающую изготовление сварных труб диаметром 10-16 мм и с толщиной стенки 0,5-1,2 мм длиной 3-7 м по схеме «разделка полосы – формирование – сварка – редуцирование – отделка» с наматыванием холоднодеформированных труб малого диаметра (4,76-6,0 мм) на барабаны.
В последние годы в производстве нашла широкое применение лазерная сварка. Она успешно конкурирует с аргонно-дуговой, плазменной, электронно-лучевой, высокочастотной видами сварки. Преимущества лазерной сварки заключаются в расширении технологических возможностей процесса путем:
· уменьшения объема сварной ванны и улучшения условий газовой защиты;
· сокращения времени пребывания металла при высоких температурах;
· получения тонких кристаллических структур в зонах шва и термического влияния;
· расширения области применения различных металлов и сплавов;
· увеличения производительности.
Лазерная сварка активно развивается за рубежом. В ядерной энергетике США и Великобритании этот вид соединения успешно применяют для трубопроводов и трубчатых реакторных элементов из коррозионно-стойких сталей, герметичность обеспечивают тщательной очисткой свариваемых кромок и комбинированной защитой зоны шва гелием. В Японии используют лазерную сварку труб из нержавеющих сталей ферритного класса, обеспечив, при этом, высококачественный сварной шов. В Германии фирмой “Vincenz Wiederholf” проведены исследования и освоено производство прямошовных труб широкого сортамента наружным диаметром от 5 до 115 мм из сталей ферритного класса для химической промышленности с применением лазерной сварки вместо аргонно-дуговой и ТВЧ.
Отечественные наработки
В странах СНГ, в первую очередь в России и Украине также проводились работы по исследованию и внедрению лазерной сварки в трубное производство. Основные исследования провели в лабораторных и производственных условиях Государственного трубного института (ГТИ), Научно-исследовательского центра “Технологические лазеры” (НИЦ ТЛ РАН), ОАО “Московский трубный завод” (сейчас ОАО “ФИЛИТ”) и ОАО “Новомосковский трубный завод”. В ГТИ использовали технологический лазер УЛГ 2.01 мощностью 2 кВт и стан 6-15, а также твердотельный лазер ЛТН с опытным станом по производству труб размером 3´0,25 мм из нержавеющих сталей. В ОАО “Новомосковский трубный завод” на ТЭСА 20-76 провели эксперименты по отработке режимов лазерной сварки труб из стали 12Х18Н10Т аустенитного класса с применением установки ЛТ 1-Б мощностью до 6 кВт. Начиная с 1990 г. в ОАО “Московский трубный завод” применяют лазерную сварку труб размером 38´1,5 мм из стали 08Х18Н10Т на ТЭСА 20-76 с использованием CO2-лазера “Хебр-2,5”.
На основе проведенных исследований и с учетом мировых достижений можно сделать вывод, что при оптимальных режимах лазерной сварки в сварочном соединении практически отсутствует зона термического влияния, величина зерна одинакова и идентична матрице (балл 10 – 11), структура в зоне шва более дисперсная.
Сдерживающим фактором широкого применения данной технологии являются жесткие требования к подготовке кромок труб и их сборке. Для труб с толщиной стенки менее 1,5 мм имеют место следующие требования:
· величина зазора между кромками в точке сварки 40 – 80 мкм;
· смещение кромок не более 5 – 10 % толщины стенки;
· шероховатость свариваемых поверхностей не более Rz 40;
· конструкция сварочного узла должна предусматривать обжатие заготовки после сварки на 0,5 – 1,0 %.
Это обстоятельство вынуждает применять сложные в настройке и эксплуатации, а также дорогостоящие системы слежения лазерного луча за стыком кромок свариваемых заготовок.
Для решения существующих проблем были проведены комплексные исследования, результаты которых приведены в данной статье, предложена концепция применения лазерной сварки при производстве прецизионных тонкостенных труб малых размеров из различных материалов. Ее основой стали разработка и освоение сквозной ресурсосберегающей технологии с целью повышения качества продукции при минимальных производственных издержках путем использования высококачественной исходной заготовки (штрипс, лента), а также применения высокопроизводительного экономичного и простого в обслуживании оборудования и оснастки. Соответственно этому были определены три основные группы аспектов – технические, технологические и экономические.
Технические аспекты предполагают при разработке и проектировании пилотных образцов максимально упрощать оборудование, предусматривать технические возможности для исключения системы слежения за лучом лазера в зоне сварки, обеспечивать надежную и качественную формовку заготовки и сборки кромок только с помощью конструкционных изменений.
К технологическим аспектам относятся требования к блоку (модулю) формовки и сварки для изготовления заготовок и товарных труб унифицированных размеров. Параметры последующей холодной деформации (прокатки, волочения) должны предусматривать пластичность металла с целью сокращения вспомогательных операций
Экономические аспекты предполагают при построении технологических маршрутов с целью достижения высокой рентабельности максимально применять высокопроизводительные процессы – волочение на подвижной оправке, бухтовое волочение и др.
При реализации концепции были спроектированы пять модификаций трубосварочных агрегатов с применением лазерной сварки для труб диаметром 2-32 мм. На пилотном образце лазерного трубосварочного агрегата ЛТСА 2-5 были получены качественные сварные трубы наружным диаметром 2,85 – 3,0 мм и толщиной стенки 0,2 – 0,25 мм из стали 12Х18Н10Т. В отличие от образцов, изготовленных годом ранее (брак при этом составлял до 50%), полученные трубы в бунтах длиной до 500 м имели не более 1-2 непровара шва. Кроме того, провели исследования по отработке параметров технологии сварки капиллярных труб с толщиной стенки 0,15, 0,10 и 0,07 мм.
При разработке ЛТСА 2-5 было предусмотрено максимальное упрощение. Для обеспечения качественной сварки шва без применения системы слежения шов стабилизировали путем совершенствования конструкции формовочно-сварочного узла и инструмента. Поперечное отклонение шва от оси во время сварки составило 0,02 – 0,05 мм, что обеспечило качественную сварку лазерным лучом диаметром до 0,2 мм. В качестве источника применили непрерывный технологический лазер ЛТН-103 мощностью 250 Вт. При толщине стенки трубы 0,07 – 0,25 мм он обеспечивает скорость сварки 2 – 10 м/мин.
Проблема точности резки исходной заготовки была решена путем применения новых технических решений в формовочно-сварочном узле. Изготовленная труба имела сварной шов по ширине не более толщины стенки при толщине стенки более 0,2 мм и менее — при толщине стенки менее 0,2 мм. Высота шва находилась в пределах ±0-5 % толщины стенки, пластические свойства металла в этой зоне допускали оправочное волочение без промежуточной термообработки. Полученное качество сварного шва позволило исключить промежуточные отжиги и деформации стенки, а также осуществлять безоправочное волочение со значительными степенями относительной деформации (95 – 97 %), при этом шов не “выдавливался” и деформация происходила равномерно по всему периметру трубы.
(Продолжение следует)