Préchauffage par induction avant le soudage pour réduire les contraintes

Préchauffage par induction avant soudage pour le chauffage de détente

Pourquoi utiliser le préchauffage par induction avant le soudage ?Le préchauffage par induction peut ralentir la vitesse de refroidissement après le soudage. Il permet d'échapper à l'hydrogène diffusé dans le métal soudé et d'éviter les fissures induites par l'hydrogène. En même temps, il réduit également le niveau de durcissement du joint de soudure et de la zone affectée thermiquement, ce qui améliore la résistance aux fissures du joint soudé.
Le préchauffage par induction peut réduire les contraintes de soudage. La différence de température (également appelée gradient de température) entre les soudeurs dans la zone de soudage peut être réduite par un préchauffage par induction uniforme, local ou total. De cette manière, d'une part, la contrainte de soudage est réduite, d'autre part, la vitesse de déformation du soudage est réduite, ce qui permet d'éviter les fissures de soudage.

Le préchauffage par induction peut réduire le degré de contrainte des structures soudées, il est particulièrement évident de réduire la contrainte du joint angulaire. L'incidence des fissures diminue avec l'augmentation de la température de préchauffage par induction.
Température de préchauffage par induction et température de la couche intermédiaire (Remarque : lorsque le soudage multicouche et multipasse est effectué sur l'élément soudé, la température la plus basse de la soudure avant est appelée température de la couche intermédiaire lorsque la post-soudure est soudée. Pour les matériaux nécessitant un préchauffage par induction, lorsque le soudage multicouche est requis, la température intercalaire doit être égale ou légèrement supérieure à la température de préchauffage par induction. Si la température de la couche intermédiaire est inférieure à la température de préchauffage par induction, elle doit être à nouveau préchauffée par induction.
En outre, l'uniformité de la température de préchauffage par induction dans le sens de l'épaisseur de la plaque d'acier et dans la zone de soudage a un effet important sur la réduction des contraintes de soudage. La largeur du préchauffage local par induction doit être déterminée en fonction des contraintes du soudeur, généralement trois fois l'épaisseur de la paroi autour de la zone de soudure, et pas moins de 150-200 mm. Si le préchauffage par induction n'est pas uniforme, non seulement la tension de soudage ne sera pas réduite, mais elle augmentera.

Comment trouver la solution de préchauffage par induction appropriée ?

Lors du choix de l'équipement de préchauffage par induction approprié, il convient de tenir compte des aspects suivants :

La forme et la taille de la pièce chauffée : Les pièces de grande taille, les barres et les matériaux solides doivent être chauffés par induction à puissance relative et à basse fréquence. Si la pièce est petite, un tuyau, une plaque, un engrenage, etc., il convient de choisir un équipement de préchauffage par induction à faible puissance relative et à haute fréquence.
La profondeur et la zone à chauffer : Profondeur de chauffage, grande surface, chauffage global, choix d'un équipement de chauffage par induction à basse fréquence de grande puissance ; Profondeur de chauffage peu profonde, petite surface, chauffage local, choix d'un équipement de préchauffage par induction à haute fréquence de relativement petite puissance.
Vitesse de chauffage requise : si la vitesse de chauffage est rapide, il convient de choisir un équipement de chauffage par induction doté d'une puissance et d'une fréquence relativement élevées.
Durée de fonctionnement continu de l'équipement : Le temps de travail continu est long, il est préférable de choisir un équipement de préchauffage par induction de puissance légèrement supérieure.
Distance entre la tête de chauffage par induction et la machine à induction : Une longue connexion, même l'utilisation d'un câble de connexion refroidi à l'eau, doit être une machine de préchauffage par induction de puissance relativement importante.

Le chauffage par induction : Comment cela fonctionne-t-il ?

Systèmes de chauffage par induction utilisent le chauffage sans contact. Ils induisent la chaleur par voie électromagnétique plutôt que d'utiliser un élément chauffant en contact avec une pièce pour conduire la chaleur, comme le fait le chauffage par résistance. Le chauffage par induction fonctionne davantage comme un four à micro-ondes : l'appareil reste froid tandis que les aliments cuisent à l'intérieur.

Dans un exemple industriel de chauffage par inductionLa chaleur est induite dans la pièce en la plaçant dans un champ magnétique à haute fréquence. Le champ magnétique crée des courants de Foucault à l'intérieur de la pièce, excitant les molécules de la pièce et générant de la chaleur. Comme le chauffage se produit légèrement sous la surface du métal, il n'y a pas de perte de chaleur.

La similitude entre le chauffage par induction et le chauffage par résistance réside dans le fait que la conduction est nécessaire pour chauffer la section ou la pièce. La seule différence réside dans la source de chaleur et les températures de l'outil. Le processus d'induction chauffe à l'intérieur de la pièce et le processus de résistance chauffe à la surface de la pièce. La profondeur du chauffage dépend de la fréquence. Les hautes fréquences (par exemple 50 kHz) chauffent près de la surface, tandis que les basses fréquences (par exemple 60 Hz) pénètrent plus profondément dans la pièce, plaçant la source de chaleur jusqu'à 3 mm de profondeur, ce qui permet de chauffer des pièces plus épaisses. La bobine d'induction ne s'échauffe pas parce que le conducteur est de grande taille pour le courant transporté. En d'autres termes, la bobine n'a pas besoin de chauffer pour chauffer la pièce.

Composants du système de chauffage par induction

Les systèmes de chauffage par induction peuvent être refroidis par air ou par liquide, en fonction des exigences de l'application. L'élément clé commun aux deux systèmes est la bobine d'induction utilisée pour générer de la chaleur à l'intérieur de la pièce.

Système refroidi par air. Un système typique refroidi à l'air se compose d'une source d'alimentation, d'une couverture d'induction et des câbles associés. La couverture d'induction est constituée d'une bobine d'induction entourée d'un isolant et cousue dans un manchon de Kevlar remplaçable à haute température.

Ce type de système d'induction peut inclure un contrôleur qui surveille et contrôle automatiquement la température. Un système non équipé d'un contrôleur nécessite l'utilisation d'un indicateur de température. Le système peut également comprendre un interrupteur marche-arrêt à distance. Les systèmes refroidis par air peuvent être utilisés pour des applications allant jusqu'à 400 degrés F, ce qui les désigne comme des systèmes de préchauffage uniquement.

Système refroidi par liquide. Le liquide se refroidissant plus efficacement que l'air, ce type de système de chauffage par induction convient aux applications nécessitant des températures plus élevées, telles que le préchauffage à haute température et le relâchement des contraintes. Les principales différences avec un système refroidi par air sont l'ajout d'un refroidisseur d'eau et l'utilisation d'un tuyau flexible refroidi par liquide qui abrite la bobine d'induction. Les systèmes refroidis par liquide utilisent aussi généralement un régulateur de température et un enregistreur de température intégré, composants particulièrement importants dans les applications de détente.

La procédure typique de détensionnement nécessite une étape de 600 à 800 degrés F, suivie d'une rampe ou d'une augmentation contrôlée de la température jusqu'à une température de trempage d'environ 1250 degrés. Après un temps de maintien, la pièce est refroidie de manière contrôlée à une température comprise entre 600 et 800 degrés. L'enregistreur de température recueille des données sur le profil de température réel de la pièce sur la base d'un thermocouple, une exigence d'assurance qualité pour les applications de détensionnement. Le type de travail et le code applicable déterminent la procédure effective.

Avantages du chauffage par induction

Le chauffage par induction offre de nombreux avantages, notamment une bonne uniformité et une bonne qualité de la chaleur, une durée de cycle réduite et des consommables durables. Le chauffage par induction est également sûr, fiable, facile à utiliser, économe en énergie et polyvalent.

Uniformité et qualité. Le chauffage par induction n'est pas particulièrement sensible à l'emplacement ou à l'espacement des bobines. En général, les bobines doivent être espacées régulièrement et centrées sur le joint de soudure. Sur les systèmes ainsi équipés, un régulateur de température peut déterminer la puissance requise de manière analogique, en fournissant juste assez de puissance pour maintenir le profil de température. La source d'alimentation fournit du courant pendant toute la durée du processus.

Durée du cycle. La méthode de préchauffage et de détensionnement par induction permet une mise à température relativement rapide. Pour les applications plus épaisses, telles que les conduites de vapeur à haute pression, le chauffage par induction peut réduire la durée du cycle de deux heures. Il est possible de réduire le temps de cycle de la température de contrôle à la température de trempe.

Consommables. L'isolant utilisé pour le chauffage par induction est facile à fixer sur les pièces et peut être réutilisé plusieurs fois. En outre, les bobines d'induction sont robustes et ne nécessitent pas de fils ou de matériaux céramiques fragiles. De plus, comme les bobines d'induction et les connecteurs ne fonctionnent pas à des températures élevées, ils ne sont pas sujets à la dégradation.

Facilité d'utilisation. L'un des principaux avantages du préchauffage par induction et de la réduction des contraintes est sa simplicité. L'isolation et les câbles sont faciles à installer, ce qui prend généralement moins de 15 minutes. Dans certains cas, l'apprentissage de l'utilisation de l'équipement d'induction peut se faire en une journée.

Efficacité énergétique. La source d'énergie à onduleur est efficace à 92 %, un avantage essentiel à une époque où les coûts de l'énergie montent en flèche. En outre, le processus de chauffage par induction est efficace à plus de 80 %. En ce qui concerne la puissance absorbée, le processus d'induction ne nécessite qu'une ligne de 40 ampères pour une puissance de 25 kW.

La sécurité. Le préchauffage et le soulagement de la tension par la méthode de l'induction sont conviviaux pour les travailleurs. Le chauffage par induction ne nécessite pas d'éléments chauffants ni de connecteurs chauds. Très peu de particules en suspension dans l'air sont associées aux matelas d'isolation, et l'isolation elle-même n'est pas exposée à des températures supérieures à 1 800 degrés, qui peuvent entraîner la décomposition de l'isolation en poussières susceptibles d'être inhalées par les travailleurs.

Fiabilité. Un cycle ininterrompu est l'un des facteurs les plus importants qui influent sur la productivité dans le domaine du détachement sous contrainte. Dans la plupart des cas, une interruption du cycle signifie que le traitement thermique devra être répété, ce qui est important lorsqu'un cycle thermique peut durer une journée. Les composants du système de chauffage par induction rendent les interruptions de cycle peu probables. Le câblage de l'induction est simple, ce qui réduit le risque de défaillance. En outre, aucun contacteur n'est utilisé pour contrôler l'apport de chaleur à la pièce.

Polyvalence. En plus de l'utilisation de systèmes de chauffage par induction Pour le préchauffage et le détensionnement des tuyaux, les utilisateurs ont adapté le processus pour les trous soudés, les coudes, les vannes et d'autres pièces. L'un des aspects du chauffage par induction qui le rend intéressant pour les formes complexes est la possibilité d'ajuster les bobines pendant le processus de chauffage pour s'adapter à des pièces et à des puits de chaleur uniques. L'opérateur peut lancer le processus, déterminer les effets du processus de chauffage en temps réel et modifier la position des bobines pour changer le résultat. Les câbles d'induction peuvent être déplacés sans attendre le refroidissement par air à la fin du cycle.

Chauffage par induction avant les applications de soudage

Cette technologie a fait ses preuves dans un certain nombre de projets, notamment les oléoducs et les gazoducs, la construction d'équipements lourds, ainsi que l'entretien et la réparation d'équipements miniers.

Oléoduc. Dans le cadre d'une opération de maintenance d'un oléoduc en Amérique du Nord, il fallait chauffer la conduite avant de souder des manchons de réparation ou des raccords sur la circonférence de l'oléoduc, d'une longueur de 48 pouces. Bien que les ouvriers aient pu effectuer de nombreuses réparations sans avoir à interrompre l'écoulement du pétrole ou à le drainer de la conduite, la présence du pétrole brut lui-même a entravé l'efficacité du soudage, car le pétrole qui s'écoule absorbe la chaleur. Les chalumeaux au propane devaient être constamment interrompus pour maintenir la chaleur, et le chauffage par résistance - bien qu'il fournisse une chaleur continue - ne permettait souvent pas d'atteindre les températures de soudure requises.

Les ouvriers ont utilisé deux systèmes de 25 kW avec des couvertures parallèles pour obtenir une température de préchauffage de 125 degrés sur les réparations de manchons d'encerclement. Ils ont ainsi réduit le temps de cycle de huit à douze heures à quatre heures par soudure de ceinture.

Le préchauffage pour la réparation d'un raccord STOPPLE (une jonction en T avec une vanne) était encore plus difficile en raison de l'épaisseur plus importante de la paroi du raccord. Avec le chauffage par induction, cependant, l'entreprise a utilisé quatre systèmes de 25 kW avec une installation de couverture en parallèle. Deux systèmes ont été utilisés de chaque côté du T. Un système a été utilisé sur la ligne principale pour préchauffer l'huile, et le second a été utilisé pour préchauffer le T au niveau du joint de soudure circonférentiel. La température de préchauffage était de 125 degrés. Cela a permis de réduire le temps de soudage de 12 à 18 heures à sept heures par soudure circonférentielle.

Pipeline de gaz naturel. Dans le cadre d'un projet de construction d'un gazoduc, un pipeline de 36 pouces de diamètre et de 0,633 pouce d'épaisseur a été construit entre l'Alberta, au Canada, et Chicago. Sur un tronçon de ce gazoduc, l'entrepreneur en soudage a utilisé deux sources d'énergie de 25 kW montées sur un tracteur, les couvertures à induction étant fixées sur des rampes pour des raisons de rapidité et de commodité. Les sources d'énergie ont préchauffé les deux côtés du joint de la conduite. La rapidité et la fiabilité du contrôle de la température étaient essentielles à ce processus. À mesure que la teneur en alliages augmente dans les matériaux pour réduire le poids et le temps de soudage, et pour augmenter la durée de vie des pièces, le contrôle des températures de préchauffage devient de plus en plus critique. Cette application de chauffage par induction a nécessité moins de trois minutes pour atteindre la température de préchauffage de 250 degrés.

Matériel lourd. Un fabricant d'équipements lourds soudait souvent des dents d'adaptation sur les bords de ses godets de chargeuses. L'assemblage soudé par points avait été déplacé d'un côté à l'autre d'un grand four, obligeant l'opérateur de soudage à attendre que la pièce soit réchauffée à plusieurs reprises. Le fabricant a décidé d'essayer le chauffage par induction pour préchauffer l'assemblage afin d'éviter tout déplacement du produit.

Le matériau avait une épaisseur de 4 pouces et nécessitait une température de préchauffage élevée en raison de la teneur en alliages. Des couvertures à induction personnalisées ont été mises au point pour répondre aux exigences de l'application. La conception de l'isolation et de la bobine a permis de protéger l'opérateur de la chaleur rayonnante de la pièce. Dans l'ensemble, les opérations ont été considérablement plus efficaces, réduisant le temps de soudage et maintenant la température tout au long du processus de soudage.

Équipement minier. Une mine avait rencontré des problèmes de fissuration à froid et d'inefficacité du préchauffage en utilisant des chauffages au propane dans ses opérations de réparation d'équipements miniers. Les opérateurs de soudage devaient fréquemment retirer une couverture isolante conventionnelle de la pièce épaisse pour appliquer la chaleur et maintenir la pièce à la bonne température.

La couverture de préchauffage par induction maintient la température du bord du godet pendant la pose des dents.
La mine a décidé d'essayer le chauffage par induction en utilisant des couvertures plates refroidies par air pour préchauffer les pièces avant le soudage. Le processus d'induction permet d'appliquer rapidement la chaleur à la pièce. Il peut également être utilisé en continu pendant le processus de soudage. Le temps de réparation des soudures a été réduit de 50 %. En outre, la source d'énergie était équipée d'un régulateur de température pour maintenir la pièce à la température cible. Cela a pratiquement éliminé les retouches dues à la fissuration à froid.

Centrale électrique. Un constructeur de centrales électriques construisait une centrale au gaz naturel en Californie. Les chaudronniers et les tuyauteurs avaient connu des retards de construction en raison des méthodes de préchauffage et de détente qu'ils employaient sur les conduites de vapeur de la centrale. L'entreprise a fait appel à la technologie du chauffage par induction pour tenter d'accroître l'efficacité, en particulier pour les travaux sur les conduites de vapeur de taille moyenne à grande, car ce sont ces pièces qui nécessitent le plus de temps de traitement thermique sur un chantier.

La simplicité de l'enroulement des couvertures d'induction autour de formes complexes, comme dans cette centrale électrique au gaz naturel, permet de réduire le temps de traitement thermique.
Sur un weldolet typique de 16 pouces avec une épaisseur de paroi de 2 pouces, le chauffage par induction a permis de gagner deux heures sur le temps de mise à température (600 degrés) et une autre heure pour atteindre la température de trempage (600 degrés à 1 350 degrés) pour le relâchement des contraintes.