Изготовление трубной решетки с применением орбитальной сварки

Среди разновидности стандартных технологических сварочных соединений довольно распространено соединение «трубная решетка» или «трубная доска». Такие соединения широко применяются в теплообменниках различных назначений, начиная от котельного оборудования заканчивая фармацевтическим. Конструкция сварного соединения трубная решетка (трубная доска) представляет собой плоскую поверхность металлической плиты или листа со сквозными отверстиями, в которые вварены трубы. Таким образом, среда, проходящая по трубам, отделена от среды, проходящей между труб, стенками труб, которые сохраняя термоконтакт препятствуют смешиванию проходящих рабочих сред.

В зависимости от назначения сферы деятельности и структуры рабочей среды теплообменники различаются конструкцией трубной решетки (трубной доски) и материалом, из которого они изготовлены. В качестве материала для котельного оборудования применяются простые стали типа Ст10, Ст20 или жаропрочные 12Х1МФ. В судостроении применяются преимущественно титановые сплавы, а в пищевой и фармацевтической промышленности применяются нержавеющие стали и сплавы химически нейтральные по отношению к рабочим средам. В отдельных случаях применяются цветные теплопроводящие медные или алюминиевые сплавы. Геометрия соединений трубной решетки (трубной доски) складывается из комбинации основных сварочных приемов, что зависит от принципа работы теплообменника, от массы его решетки, от толщины труб и от зазора между ними. Основные комбинации сварочных приемов:

1. Труба без фаски
2. Труба с фаской
3. Фаска на торце отверстия в решетки
4. Трубы вставляются заподлицо с поверхностью решетки
5. Трубы немного утоплены в решетку не глубже 10 мм
6. Трубы немного выступают над поверхностью решетки менее 10 мм
7. Трубы сильно выступают над поверхностью решетки более 10 мм

В Ленинградской области работает крупный завод, специализирующийся на выпуске оборудования различного назначения, в том числе теплообменников. Ранее трубная решетка (трубная доска) теплообменников варилась вручную методом плавления по средствам TIG сварки. В виду увеличения объемов производства потребовалось модернизировать технологию сварки теплообменников из титановых сплавов. Для этого в 2020 году было поставлено несколько комплектов орбитальной сварки немецкой компании ORBITEC. Представители компании ООО «ИТП» в течение нескольких дней проводили обучение специалистов работе на оборудовании, помогли скорректировать технологию производства и наладить производственный процесс.

Состав приобретенного оборудования:

В том числе дополнительная оснастка:

Общий принцип работы комплекса орбитальной сварки со сварочной головкой типа RBK

Каждый автоматизированный комплекс орбитальной сварки состоит из трех основных элементов: рабочий инструмент, сварочный источник и контроллер. Сварочный источник «Tetrix 351» работает по принципу трехфазного инвертора на 350А, оснащен блоком жидкостного охлаждения. Внешне сварочный источник выполнен в виде тумбочки на колесах с подставкой под газовый баллон и кронштейнами под шланг-пакет рабочего инструмента. Сверху на сварочном источнике имеется прорезиненная поверхность, на которой удобно размещать контроллер орбитальной сварки. В итоге, получается целая рабочая единица, которую один человек может с легкостью перекатить по цеху. В качестве основного рабочего инструмента служит сварочная головка «RBK 38 S». Сварочная головка предназначена для обварки трубной решётки. Сварочная головка устанавливается в отверстия труб и производит обварку их торцов с решёткой. Контроллер орбитальной сварки TIGTRONIC «Basic 4» полностью управляет процессом сварки: регулирует сварочный ток, скорость вращения вольфрамового электрода и управляет подачей защитного газа. В один цикл сварочного процесса входит около пятидесяти регулируемых параметров, которые настраиваются автоматически по трем основным критериям: диаметр свариваемых труб, толщина стенки и тип рабочего инструмента. Обычно этих параметров достаточно для получения равномерного сплавления кромок. И только в отдельных случаях для получения определенной геометрии требуется ручная корректировка параметров сварки. 

Процесс сварки принципиально организован следующим образом:

Далее, согласно алгоритму, заданному в программе контроллера, начинается процесс сварки:

По окончанию сварочного цикла оператор снимает сварочную головку и устанавливает ее на следующий стык.

Особенности работы со сварочной головкой «RBK 38 S».

Оператор позиционирует сварочную головку на свариваемый стык, вставляя ее центратор с соответствующей пружинной оправкой внутрь трубы, так, чтобы головка уперлась опорами защитной камеры в плоскость свариваемой решетки.

Убедившись в том, что сварочная головка установлена перпендикулярно свариваемой поверхности, оператор защелкивает рычаг центратора. Вследствие чего, тяга внутри центратора натягивает пружинную оправку, расклинивая ее в трубе. В случае, если у оператора возникают сомнения в перпендикулярности позиционирования сварочной головки или при необходимости расположить электрод в верхнем положении оператор с помощью пульта управления «Orbicontrol-3» перемещает сварочный электрод вокруг стыка. После чего оператор запускает сварку. Сам сварочный электрод крепится в кронштейн, который расположен на подвижной части внутри защитной камеры. Кронштейн позиционирует сварочный электрод перпендикулярно торца ввариваемой трубы. В зависимости от диаметра ввариваемой трубы кронштейн позволяет отрегулировать радиус вращения электрода. Для вварки труб диаметром от 16 до 28 мм применяется специальный кронштейн, который фиксирует вольфрамовый электрод под наклоном в 7 градусов к оси ввариваемой трубы. При сварке трубной решётки конкретных теплообменников для вварки труб меньших диаметров был применен специальный держатель вольфрамового электрода для RBK 38 S с возможностью регулировки наклона.

В конкретном случае, в виду работы с трубами малых диаметров (до 12 мм), используется тонкая оснастка неспособная держать вес сварочной головки, поэтому оператору необходимо придерживать сварочную головку во время процесса сварки. В дальнейшем сварочные головки были подвешены на балансиры, что освободило руки оператору во время сварки, для позиционирования второй сварочной головки на стык. То есть, пока варит одна сварочная головка, оператор устанавливает следующую. Опытный оператор тратит на установку сварочной головки не более 60 секунд. На практике при сварке труб диаметром свыше 30 мм, оператор успевает установить и запустить еще до четырех сварочных головок типа RBK, за время сварки одного процесса.

Наладка производственного процесса

Для наладки технологии были изготовлены небольшие макеты трубной решётки (трубной доски), повторяющие геометрию стыков реальных теплообменников. Решетка макета изготовлена из того же титанового сплава и той же толщины, что и решетка теплообменника. Трубы использовались те же, что применяются в теплообменнике, только короче, чем в теплообменнике, но чтобы их небольшая масса не оказывала влияния на процесс сварки. Отверстия решетки просверлены с тем же шагом и того же калибра, что в теплообменнике. Калибровка отверстий в решетки гарантирует повторяемость зазоров между внешней стенкой трубы и отверстием в 0,1 мм с допуском +0.05 мм. Перед сборкой все детали тщательно обезжиривают. Трубы вставляют в отверстия с выступом 1 мм и развальцовывают для соосности и плотного контакта с отверстием. 

Ранее трубы заготавливали на лентопильном станке. При таком способе обработки торцы труб остаются недостаточно ровными. Это происходит из-за низкой точности реза, так как полотно лентопильного станка подается под углом и рез всегда уводит в сторону, а в некоторых моделях станков система зажима приподнимает трубы во время фиксации, что дает еще большую кривизну реза. Также, лентопильный станок оставляет крупные заусенцы при резке. Такое качество реза требовало дополнительной механической обработки напильником, вследствие чего, на кромках торцов труб образовывалась неравномерная фаска. Пока сварка теплообменников производилось в ручную, в большинстве случаев, кривизной торцов труб и неравномерностью фаски можно было пренебрегать. Автоматизация процесса сварки требует более прецинзионной подготовки торцов труб, в противном случае повторяемость сварочных процессов недостижима.

В этом проекте с проблемой при резке труб справляется прецизионный орбитальный труборез «ORS 115». Система фиксации которого точно центрирует трубы во время резки, а жесткая двухосевая планшайба направляет отрезную фрезу строго перпендикулярно оси отрезаемой трубы.

В ходе наладки производственного процесса было сварено около шестидесяти сварочных стыков. Были настроены разные рабочие режимы сварки: для различных диаметров труб, для стыков с различной геометрией подготовки и для исполнения различных требований к геометрии сплавления сварочной ванны. Сама сварка на разных режимах длится от 20 до 40 секунд. Также перед сваркой происходит продувка шланг-пакет инертным газом и заполнение им полости зашитой камеры до формирования ламинарного течения потока газа на стык в течении 15 секунд. Поскольку титановые сплавы после сварки должны остывать в среде инертного газа, то обдув продолжается и после сварки, увеличивая общее время процесса на 60 секунд, в случае сварки обычной стали или нержавеющих сплавов для послесварочной продувки достаточно 15 секунд. Итого, общее время процесса обварки одной трубы небольшого диаметра в решетку из титановых сплавов составляет 110 секунд. Известно, что тепло выделяемое во время сварки, существенно подогревает ближайшие стыки в решетке. Поэтому во время сварки макетов трубной решётки (трубной доски) был определен порядок выполнения сварочных швов так, чтобы при сварке реальных теплообменников тепловложения и геометрия сплавления от выполнений сварки не оказывали существенного влияния на сварку следующих швов. Сварка проводилась с применением лантанированныйх вольфрамовых электродов WL-20. В процессе сварки происходит естественное выгорание электрода, что проявляется нестабильным горением сварочной дуги и уменьшением переплавляемой массы металла, в результате ухудшается качество сварки. Поэтому вольфрамовый электрод нуждается в регулярной заточке. На отлаженных режимах вольфрам необходимо перетачивать не реже, чем каждый двадцатый запуск сварки. 

Для достижения максимального качества сварки при переточке требуется следить за углом заточки и направлением заточного инструмента. При большом объёме работы переточка коротких отрезков вольфрама в ручную затруднительна и влечет его перерасход. Поэтому для автоматизированных комплексов TIG сварки обязательно применение специальных машин для заточки вольфрамовых электродов. Ранее на завод было поставлено оборудование «LEEDER 2502.76» для сварки кольцевых швов Чешской компании HST creative, вместе с которым успешно применяется специальная машинка для заточки вольфрамовых электродов «WEG 4.0». Принцип работы заточной машинки достаточно прост: вольфрам крепится в специальную оправку и подается на вращающийся алмазный диск вдоль его оси. На заточной машинке предусмотрена регулировка угла заточки для разных режимов сварки. Когда заточка происходит на заточной машине своевременно, то острие вольфрамового электрода не нужно полностью перетачивать, а достаточно немного обновить его поверхность, что существенно экономит расход вольфрамовых электродов при сварке. 

В процессе обучения, пройдя практический курс работы на орбитальной сварке, сварщики и операторы быстро освоили оборудование. В итоге, каждый оператор научился самостоятельно выполнять основную работу по вварке труб одновременно двумя комплектами оборудования. Первое время операторы успевали сварить не более 25 стыков в час, со временем в работе производительность увеличилась почти в два раза. Применение автоматизированной орбитальной сварки позволило оптимизировать производственный процесс: существенно сократить влияние человеческого фактора на наличие брака при производстве теплообменников из титановых сплавов, освободить высококвалифицированных сварщиков от рутинной работы в пользу других ответственных направлений в сварке на производстве и повысить общую производительность.