Preriscaldamento a induzione prima della saldatura per il riscaldatore di distensione
Perché utilizzare il preriscaldamento a induzione prima della saldatura?
Il preriscaldamento a induzione può rallentare la velocità di raffreddamento dopo la saldatura. È utile per sfuggire all'idrogeno diffuso nel metallo saldato ed evitare cricche indotte dall'idrogeno. Allo stesso tempo, riduce anche la tenuta della saldatura e il livello di indurimento della zona termicamente interessata, migliorando la resistenza alle cricche del giunto saldato.
Il preriscaldamento a induzione può ridurre lo stress di saldatura. La differenza di temperatura (nota anche come gradiente di temperatura) tra i saldatori nell'area di saldatura può essere ridotta mediante un preriscaldamento a induzione uniformemente locale o totale. In questo modo, da un lato si riduce lo stress di saldatura, dall'altro si riduce il tasso di deformazione di saldatura, a tutto vantaggio della prevenzione delle cricche di saldatura.
Il preriscaldamento a induzione può ridurre il grado di vincolo delle strutture saldate, in particolare per ridurre il vincolo del giunto angolare. Con l'aumento della temperatura di preriscaldamento a induzione, l'incidenza delle cricche diminuisce.
Temperatura di preriscaldamento a induzione e temperatura interstrato (Nota: quando si esegue una saldatura multistrato e multipass sul pezzo saldato, la temperatura più bassa della saldatura anteriore è chiamata temperatura interstrato quando viene saldata la post-saldatura. Per i materiali che richiedono la saldatura con preriscaldamento a induzione, quando è richiesta la saldatura multistrato, la temperatura dell'intercalare deve essere uguale o leggermente superiore alla temperatura di preriscaldamento a induzione. Se la temperatura dell'intercalare è inferiore alla temperatura di preriscaldamento a induzione, deve essere nuovamente preriscaldata a induzione.
Inoltre, l'uniformità della temperatura di preriscaldamento a induzione nella direzione dello spessore della lamiera e nell'area di saldatura ha un effetto importante sulla riduzione dello stress di saldatura. L'ampiezza del preriscaldamento a induzione locale deve essere determinata in base ai vincoli del saldatore, generalmente tre volte lo spessore della parete intorno alla zona di saldatura e non meno di 150-200 mm. Se il preriscaldamento a induzione non è uniforme, non solo non ridurrà lo stress di saldatura, ma lo aumenterà.
Come trovare la soluzione adatta per il preriscaldamento a induzione?
Quando si sceglie l'apparecchiatura di preriscaldamento a induzione appropriata, si considerano soprattutto i seguenti aspetti:
Forma e dimensioni del pezzo riscaldato: Se il pezzo da lavorare è di grandi dimensioni, materiale da barra, materiale solido, è necessario selezionare un'apparecchiatura di riscaldamento a induzione a bassa frequenza e potenza relativa; se il pezzo da lavorare è di piccole dimensioni, tubo, piastra, ingranaggio, ecc.
Profondità e area da riscaldare: Profondità di riscaldamento, grande area, riscaldamento generale, si dovrebbe scegliere un'apparecchiatura di riscaldamento a induzione di grande potenza e a bassa frequenza; profondità di riscaldamento bassa, piccola area, riscaldamento locale, selezione di un'apparecchiatura di preriscaldamento a induzione di potenza relativamente piccola e ad alta frequenza.
Velocità di riscaldamento richiesta: se la velocità di riscaldamento è elevata, è necessario scegliere un'apparecchiatura di riscaldamento a induzione con una potenza relativamente elevata e una frequenza relativamente alta.
Tempo di lavoro continuo dell'apparecchiatura: Il tempo di lavoro continuo è lungo, quindi è opportuno scegliere un'apparecchiatura di preriscaldamento a induzione di potenza leggermente superiore.
Distanza tra la testa di riscaldamento a induzione e la macchina a induzione: Il collegamento lungo, anche con l'uso di un cavo di collegamento raffreddato ad acqua, dovrebbe essere una macchina di preriscaldamento a induzione di potenza relativamente grande.
Riscaldamento a induzione: Come funziona?
Sistemi di riscaldamento a induzione utilizzano il riscaldamento senza contatto. Inducono il calore elettromagneticamente anziché utilizzare un elemento riscaldante a contatto con una parte per condurre il calore, come avviene per il riscaldamento a resistenza. Il riscaldamento a induzione si comporta come un forno a microonde: l'apparecchio rimane freddo mentre il cibo cuoce dall'interno.
In un esempio industriale di riscaldamento a induzioneIl calore viene indotto nel pezzo ponendolo in un campo magnetico ad alta frequenza. Il campo magnetico crea correnti parassite all'interno del pezzo, eccitando le molecole del pezzo e generando calore. Poiché il riscaldamento avviene leggermente al di sotto della superficie del metallo, il calore non viene sprecato.
La somiglianza tra il riscaldamento a induzione e il riscaldamento a resistenza è data dal fatto che è necessaria la conduzione per riscaldare la sezione o il pezzo. L'unica differenza è la fonte di calore e le temperature dell'utensile. Il processo a induzione riscalda all'interno del pezzo, mentre il processo a resistenza riscalda sulla superficie del pezzo. La profondità del riscaldamento dipende dalla frequenza. L'alta frequenza (ad esempio, 50 kHz) riscalda vicino alla superficie, mentre la bassa frequenza (ad esempio, 60 Hz) penetra più in profondità nel pezzo, collocando la fonte di riscaldamento fino a 3 mm di profondità, il che consente di riscaldare i pezzi più spessi. La bobina a induzione non si riscalda perché il conduttore è grande per la corrente trasportata. In altre parole, la bobina non deve riscaldarsi per riscaldare il pezzo.
Componenti del sistema di riscaldamento a induzione
I sistemi di riscaldamento a induzione possono essere raffreddati ad aria o a liquido, a seconda dei requisiti dell'applicazione. Un componente chiave comune a entrambi i sistemi è la bobina a induzione utilizzata per generare calore all'interno del pezzo.
Sistema raffreddato ad aria. Un tipico sistema raffreddato ad aria è costituito da una fonte di alimentazione, una coperta di induzione e i relativi cavi. La coperta di induzione è costituita da una bobina di induzione circondata da un isolante e cucita in una guaina di Kevlar sostituibile ad alta temperatura.
Questo tipo di sistema a induzione può includere un controllore per monitorare e controllare automaticamente la temperatura. Un sistema non dotato di controller richiede l'uso di un indicatore di temperatura. Il sistema può anche includere un interruttore di accensione e spegnimento a distanza. I sistemi raffreddati ad aria possono essere utilizzati per applicazioni fino a 400 gradi F, designandoli come sistemi di solo preriscaldamento.
Sistema raffreddato a liquido. Poiché il liquido si raffredda in modo più efficiente dell'aria, questo tipo di sistema di riscaldamento a induzione è adatto ad applicazioni che richiedono temperature più elevate, come il preriscaldamento ad alta temperatura e l'alleggerimento delle sollecitazioni. Le principali differenze rispetto a un sistema raffreddato ad aria sono l'aggiunta di un raffreddatore ad acqua e l'uso di un tubo flessibile raffreddato a liquido che ospita la bobina di induzione. I sistemi raffreddati a liquido utilizzano generalmente anche un regolatore di temperatura e un registratore di temperatura integrato, componenti particolarmente importanti nelle applicazioni di distensione.
La tipica procedura di distensione richiede un passaggio a 600-800 gradi F, seguito da una rampa o da un aumento controllato della temperatura fino a una temperatura di immersione di circa 1.250 gradi. Dopo un tempo di attesa, il pezzo viene raffreddato in modo controllato a una temperatura compresa tra 600 e 800 gradi. Il registratore di temperatura raccoglie i dati sul profilo di temperatura effettivo del pezzo in base all'ingresso di una termocoppia, un requisito di garanzia della qualità per le applicazioni di distensione. Il tipo di lavoro e il codice applicabile determinano la procedura effettiva.
Vantaggi del riscaldamento a induzione
Il riscaldamento a induzione offre numerosi vantaggi, tra cui una buona uniformità e qualità del calore, tempi di ciclo ridotti e materiali di consumo di lunga durata. Il riscaldamento a induzione è anche sicuro, affidabile, facile da usare, efficiente dal punto di vista energetico e versatile.
Uniformità e qualità. Il riscaldamento a induzione non è particolarmente sensibile al posizionamento o alla distanza delle bobine. In generale, le bobine devono essere distanziate in modo uniforme e centrate sul giunto di saldatura. Sui sistemi così equipaggiati, un termoregolatore può stabilire la potenza richiesta in modo analogico, fornendo la potenza sufficiente a mantenere il profilo di temperatura. La fonte di alimentazione fornisce energia durante l'intero processo.
Tempo di ciclo. Il metodo di preriscaldamento e di distensione a induzione consente di raggiungere la temperatura in tempi relativamente brevi. Nelle applicazioni più complesse, come le linee di vapore ad alta pressione, il riscaldamento a induzione può ridurre di due ore il tempo di ciclo. È possibile ridurre il tempo di ciclo dalla temperatura di controllo alla temperatura di immersione.
Materiali di consumo. L'isolamento utilizzato nel riscaldamento a induzione è facile da fissare ai pezzi e può essere riutilizzato più volte. Inoltre, le bobine a induzione sono robuste e non richiedono fili o materiali ceramici fragili. Inoltre, poiché le bobine e i connettori a induzione non operano ad alte temperature, non sono soggetti a degrado.
Facilità d'uso. Uno dei principali vantaggi del preriscaldamento a induzione e della riduzione delle sollecitazioni è la sua semplicità. L'isolamento e i cavi sono semplici da installare e di solito richiedono meno di 15 minuti. In alcuni casi, l'utilizzo dell'apparecchiatura a induzione può essere insegnato in un solo giorno.
Efficienza energetica. La fonte di alimentazione a inverter ha un'efficienza del 92%, un vantaggio fondamentale in un'epoca di costi energetici alle stelle. Inoltre, il processo di riscaldamento a induzione ha un'efficienza superiore all'80%. Per quanto riguarda la potenza assorbita, il processo a induzione richiede solo una linea da 40 ampere per 25 kW di potenza.
Sicurezza. Il preriscaldamento e l'alleggerimento delle tensioni con il metodo a induzione sono facili da usare per i lavoratori. Il riscaldamento a induzione non richiede elementi riscaldanti e connettori caldi. Il particolato aerodisperso associato alle coperte isolanti è molto ridotto e l'isolante stesso non è esposto a temperature superiori a 1.800 gradi, che possono causare la disgregazione dell'isolante in polvere che i lavoratori possono inalare.
Affidabilità. Uno dei fattori più importanti per la produttività del trattamento termico è la continuità del ciclo. Nella maggior parte dei casi, l'interruzione del ciclo comporta la necessità di ripetere il trattamento termico, il che è significativo quando un ciclo termico può richiedere un giorno per essere completato. I componenti del sistema di riscaldamento a induzione rendono improbabili le interruzioni del ciclo. Il cablaggio per l'induzione è semplice e riduce la probabilità di guasti. Inoltre, non vengono utilizzati contattori per controllare l'apporto di calore al pezzo.
Versatilità. Oltre a utilizzare sistemi di riscaldamento a induzione Il riscaldamento a induzione è stato utilizzato per preriscaldare e distendere i tubi, ma gli utilizzatori hanno adattato il processo per saldature, gomiti, valvole e altri pezzi. Uno degli aspetti del riscaldamento a induzione che lo rende interessante per le forme complesse è la possibilità di regolare le bobine durante il processo di riscaldamento per adattarle a pezzi e dissipatori unici. L'operatore può avviare il processo, determinare gli effetti del processo di riscaldamento in tempo reale e modificare la posizione della bobina per cambiare il risultato. I cavi a induzione possono essere spostati senza attendere il raffreddamento ad aria alla fine del ciclo.
Riscaldamento a induzione prima delle applicazioni di saldatura
Questa tecnologia ha dato prova di sé in numerosi progetti, tra cui oleodotti e gasdotti, costruzione di attrezzature pesanti e manutenzione e riparazione di attrezzature minerarie.
Oleodotto. Un'operazione di manutenzione di un oleodotto nordamericano aveva la necessità di riscaldare il tubo prima di saldare i manicotti o i raccordi di riparazione dell'accerchiamento sulla circonferenza dell'oleodotto di 48 pollici. Sebbene gli operai potessero effettuare molte riparazioni senza dover interrompere il flusso di petrolio o drenarlo dal tubo, la presenza del greggio stesso ostacolava l'efficienza della saldatura perché il petrolio che scorreva assorbiva il calore. Le torce a propano richiedevano un'interruzione costante della saldatura per mantenere il calore e il riscaldamento a resistenza, pur fornendo calore continuo, spesso non riusciva a raggiungere le temperature di saldatura richieste.
Gli operai hanno utilizzato due sistemi da 25 kW con coperte parallele per ottenere una temperatura di preriscaldamento di 125 gradi sulle riparazioni dei manicotti di accerchiamento. Di conseguenza, hanno ridotto il tempo di ciclo da otto-dodici ore a quattro ore per ogni saldatura di testa.
Il preriscaldamento per la riparazione di un raccordo STOPPLE (una giunzione a T con valvola) è stato ancora più impegnativo a causa del maggiore spessore delle pareti del raccordo. Con il riscaldamento a induzione, tuttavia, l'azienda ha utilizzato quattro sistemi da 25 kW con una configurazione di coperte in parallelo. Un sistema è stato utilizzato sulla linea principale per preriscaldare l'olio, mentre il secondo è stato utilizzato per preriscaldare il T in corrispondenza del giunto di saldatura circonferenziale. La temperatura di preriscaldamento era di 125 gradi. In questo modo si è ridotto il tempo di saldatura da 12-18 ore a sette ore per ogni saldatura di testa.
Gasdotto per il gas naturale. Un progetto di costruzione di un gasdotto per il gas naturale prevedeva la realizzazione di una condotta di 36 pollici di diametro e 0,633 pollici di spessore da Alberta, in Canada, a Chicago. Su un tratto di questo gasdotto, l'appaltatore della saldatura ha utilizzato due sorgenti di potenza da 25 kW montate su un trattore, con le coperte a induzione attaccate a bracci per garantire velocità e comodità. Le fonti di energia hanno preriscaldato entrambi i lati della giunzione del tubo. I fattori critici di questo processo sono stati la velocità e il controllo affidabile della temperatura. Con l'aumento del contenuto di leghe nei materiali per ridurre il peso e i tempi di saldatura e per aumentare la durata dei pezzi, il controllo delle temperature di preriscaldamento diventa sempre più critico. Questa applicazione di riscaldamento a induzione ha richiesto meno di tre minuti per ottenere la temperatura di preriscaldamento di 250 gradi.
Attrezzature pesanti. Un produttore di attrezzature pesanti saldava spesso i denti dell'adattatore sui bordi delle benne dei suoi caricatori. L'assemblaggio saldato era stato spostato avanti e indietro in un forno di grandi dimensioni, richiedendo all'operatore di saldatura di aspettare mentre il pezzo veniva riscaldato ripetutamente. Il produttore ha deciso di provare il riscaldamento a induzione per preriscaldare l'assieme e impedire lo spostamento del prodotto.
Il materiale aveva uno spessore di 4 pollici e una temperatura di preriscaldamento elevata a causa del contenuto di leghe. Per soddisfare i requisiti dell'applicazione sono stati sviluppati coperchi a induzione personalizzati. L'isolamento e il design della bobina offrivano l'ulteriore vantaggio di schermare l'operatore dal calore radiante del pezzo. Nel complesso, le operazioni sono risultate notevolmente più efficienti, riducendo i tempi di saldatura e mantenendo la temperatura durante tutto il processo di saldatura.
Apparecchiature per l'estrazione mineraria. Una miniera aveva riscontrato problemi di cold-cracking e inefficienza del preriscaldamento utilizzando riscaldatori a propano nelle operazioni di riparazione delle attrezzature minerarie. Gli operatori di saldatura dovevano rimuovere frequentemente una coperta isolante convenzionale dal pezzo spesso per applicare il calore e mantenere il pezzo alla temperatura corretta.
La coperta di preriscaldamento a induzione mantiene la temperatura del bordo della benna durante l'applicazione dei denti.
La miniera ha scelto di provare il riscaldamento a induzione utilizzando coperte piatte raffreddate ad aria per preriscaldare i pezzi prima della saldatura. Il processo a induzione applicava rapidamente il calore al pezzo. Inoltre, poteva essere utilizzato in modo continuo durante il processo di saldatura. I tempi di riparazione delle saldature si sono ridotti del 50%. Inoltre, la fonte di alimentazione era dotata di un regolatore di temperatura per mantenere il pezzo alla temperatura desiderata. In questo modo si è quasi eliminata la rilavorazione causata dalle cricche a freddo.
Centrale elettrica. Un costruttore di centrali elettriche stava costruendo un impianto a gas naturale in California. Caldaisti e tubisti stavano subendo ritardi nella costruzione a causa dei metodi di preriscaldamento e distensione utilizzati per le linee di vapore dell'impianto. L'azienda ha introdotto la tecnologia di riscaldamento a induzione nel tentativo di aumentare l'efficienza, in particolare per il lavoro sulle linee di vapore di medie e grandi dimensioni, poiché questi pezzi richiedono il maggior tempo di trattamento termico in cantiere.
La semplicità di avvolgere i tappeti a induzione intorno a forme complesse, come in questa centrale elettrica a gas naturale, può ridurre i tempi di trattamento termico.
Su un tipico weldolet da 16 pollici con uno spessore di parete di 2 pollici, il riscaldamento a induzione è stato in grado di ridurre di due ore il tempo di raggiungimento della temperatura (600 gradi) e di un'altra ora il raggiungimento della temperatura di immersione (da 600 a 1.350 gradi) per la distensione.
