Wstępne podgrzewanie indukcyjne przed spawaniem do podgrzewacza odprężającego

Dlaczego warto stosować podgrzewanie indukcyjne przed spawaniem?Wstępne podgrzewanie indukcyjne może spowolnić szybkość chłodzenia po spawaniu. Jest to korzystne dla ucieczki wodoru rozproszonego w metalu spoiny i uniknięcia pęknięć spowodowanych wodorem. Jednocześnie zmniejsza to również poziom utwardzenia strefy wpływu ciepła i uszczelnienia spawalniczego, poprawiając odporność na pęknięcia spawanego złącza.
Wstępne podgrzewanie indukcyjne może zmniejszyć naprężenia spawalnicze. Różnicę temperatur (znaną również jako gradient temperatury) między spawaczami w obszarze spawania można zmniejszyć poprzez równomierne miejscowe lub całkowite podgrzewanie indukcyjne. W ten sposób z jednej strony zmniejsza się naprężenie spawalnicze, a z drugiej strony zmniejsza się szybkość odkształcenia spawalniczego, co jest korzystne dla uniknięcia pęknięć spawalniczych.

Wstępne podgrzewanie indukcyjne może zmniejszyć stopień naprężenia konstrukcji spawanych, szczególnie oczywiste jest zmniejszenie naprężenia złącza kątowego. Wraz ze wzrostem temperatury podgrzewania indukcyjnego zmniejsza się częstość występowania pęknięć.
Temperatura podgrzewania indukcyjnego i temperatura międzywarstwy (Uwaga: w przypadku spawania wielowarstwowego i wielościegowego najniższa temperatura spoiny czołowej jest nazywana temperaturą międzywarstwy podczas spawania po spawaniu. W przypadku materiałów wymagających wstępnego podgrzewania indukcyjnego, gdy wymagane jest spawanie wielowarstwowe, temperatura międzywarstwy powinna być równa lub nieco wyższa niż temperatura wstępnego podgrzewania indukcyjnego. Jeśli temperatura międzywarstwy jest niższa niż temperatura podgrzewania indukcyjnego, należy ją ponownie podgrzać indukcyjnie.
Ponadto równomierność temperatury podgrzewania indukcyjnego w kierunku grubości blachy stalowej i w obszarze spoiny ma istotny wpływ na zmniejszenie naprężeń spawalniczych. Szerokość miejscowego podgrzewania indukcyjnego powinna być określona zgodnie z ograniczeniami spawacza, zazwyczaj trzykrotność grubości ścianki wokół strefy spawania i nie mniej niż 150-200 mm. Jeśli podgrzewanie indukcyjne nie jest jednolite, nie tylko nie zmniejszy naprężeń spawalniczych, ale zwiększy naprężenia spawalnicze.

Jak znaleźć odpowiednie rozwiązanie do podgrzewania indukcyjnego?

Przy wyborze odpowiedniego sprzętu do podgrzewania indukcyjnego należy wziąć pod uwagę przede wszystkim następujące aspekty:

Kształt i rozmiar podgrzewanego przedmiotu obrabianego: Duży przedmiot obrabiany, materiał prętowy, materiał stały, należy wybrać moc względną, sprzęt do nagrzewania indukcyjnego o niskiej częstotliwości; Jeśli przedmiot obrabiany jest mały, rura, płyta, koło zębate itp. należy wybrać sprzęt do podgrzewania indukcyjnego o niskiej mocy względnej i wysokiej częstotliwości.
Głębokość i obszar do ogrzania: Głęboka głębokość nagrzewania, duża powierzchnia, ogólne nagrzewanie, należy wybrać dużą moc, urządzenia do nagrzewania indukcyjnego o niskiej częstotliwości; Płytka głębokość nagrzewania, mała powierzchnia, lokalne nagrzewanie, wybór stosunkowo małej mocy, urządzenia do podgrzewania indukcyjnego o wysokiej częstotliwości.
Wymagana prędkość nagrzewania: Jeśli prędkość nagrzewania jest duża, należy wybrać sprzęt do nagrzewania indukcyjnego o stosunkowo dużej mocy i stosunkowo wysokiej częstotliwości.
Ciągły czas pracy urządzenia: Ciągły czas pracy jest długi, względnie należy wybrać urządzenia do podgrzewania indukcyjnego o nieco większej mocy.
Odległość między indukcyjną głowicą grzewczą a maszyną indukcyjną: Długie połączenie, nawet użycie połączenia kablowego chłodzonego wodą, powinno być stosunkowo dużą maszyną do podgrzewania indukcyjnego.

Ogrzewanie indukcyjne: Jak to działa?

Indukcyjne systemy grzewcze wykorzystują ogrzewanie bezkontaktowe. Indukują one ciepło elektromagnetycznie, a nie za pomocą elementu grzejnego stykającego się z częścią w celu przewodzenia ciepła, jak ma to miejsce w przypadku ogrzewania oporowego. Ogrzewanie indukcyjne działa bardziej jak kuchenka mikrofalowa - urządzenie pozostaje chłodne, podczas gdy jedzenie gotuje się od wewnątrz.

W przemysłowym przykładzie ogrzewanie indukcyjneCiepło jest indukowane w części poprzez umieszczenie jej w polu magnetycznym o wysokiej częstotliwości. Pole magnetyczne wytwarza prądy wirowe wewnątrz części, wzbudzając jej cząsteczki i generując ciepło. Ponieważ nagrzewanie następuje nieco poniżej powierzchni metalu, ciepło nie jest marnowane.

Podobieństwo nagrzewania indukcyjnego do nagrzewania oporowego polega na tym, że do ogrzania przekroju lub części wymagane jest przewodzenie. Jedyną różnicą jest źródło ciepła i temperatura narzędzia. Proces indukcyjny nagrzewa się wewnątrz części, a proces oporowy nagrzewa się na powierzchni części. Głębokość nagrzewania zależy od częstotliwości. Wysoka częstotliwość (np. 50 kHz) nagrzewa się blisko powierzchni, podczas gdy niska częstotliwość (np. 60 Hz) wnika głębiej w część, umieszczając źródło ciepła na głębokości do 3 mm, co umożliwia nagrzewanie grubszych części. Cewka indukcyjna nie nagrzewa się, ponieważ przewodnik jest duży dla przenoszonego prądu. Innymi słowy, cewka nie musi się nagrzewać, aby podgrzać obrabiany przedmiot.

Elementy systemu ogrzewania indukcyjnego

Indukcyjne systemy grzewcze mogą być chłodzone powietrzem lub cieczą, w zależności od wymagań aplikacji. Kluczowym elementem wspólnym dla obu systemów jest cewka indukcyjna wykorzystywana do generowania ciepła wewnątrz części.

System chłodzony powietrzem. Typowy system chłodzony powietrzem składa się ze źródła zasilania, koca indukcyjnego i powiązanych kabli. Koc indukcyjny składa się z cewki indukcyjnej otoczonej izolacją i wszytej w wysokotemperaturowy, wymienny rękaw kevlarowy.

Ten typ systemu indukcyjnego może zawierać sterownik do monitorowania i automatycznego kontrolowania temperatury. System niewyposażony w sterownik wymaga użycia wskaźnika temperatury. System może również zawierać zdalny wyłącznik. Systemy chłodzone powietrzem mogą być używane w zastosowaniach do 400 stopni F, oznaczając je jako system tylko do podgrzewania wstępnego.

System chłodzony cieczą. Ponieważ ciecz chłodzi bardziej wydajnie niż powietrze, ten typ indukcyjnego systemu grzewczego nadaje się do zastosowań wymagających wyższych temperatur, takich jak podgrzewanie wstępne w wysokich temperaturach i odprężanie. Główne różnice w stosunku do systemu chłodzonego powietrzem to dodanie chłodnicy wodnej i zastosowanie elastycznego, chłodzonego cieczą węża, w którym znajduje się cewka indukcyjna. Systemy chłodzone cieczą zazwyczaj wykorzystują również regulator temperatury i wbudowany rejestrator temperatury, szczególnie ważne elementy w zastosowaniach związanych z odprężaniem.

Typowa procedura odprężania wymaga przejścia do temperatury od 600 do 800 stopni F, a następnie rampy lub kontrolowanego wzrostu temperatury do temperatury wygrzewania wynoszącej około 1250 stopni. Po czasie podtrzymania, część jest chłodzona do temperatury pomiędzy 600 a 800 stopni. Rejestrator temperatury gromadzi dane na temat rzeczywistego profilu temperatury części w oparciu o wejście termopary, co stanowi wymóg zapewnienia jakości w zastosowaniach związanych z odprężaniem. Rodzaj pracy i obowiązujący kod określają rzeczywistą procedurę.

Zalety ogrzewania indukcyjnego

Ogrzewanie indukcyjne oferuje liczne korzyści, w tym dobrą jednorodność i jakość ciepła, skrócony czas cyklu i trwałe materiały eksploatacyjne. Ogrzewanie indukcyjne jest również bezpieczne, niezawodne, łatwe w użyciu, energooszczędne i wszechstronne.

Jednorodność i jakość. Ogrzewanie indukcyjne nie jest szczególnie wrażliwe na rozmieszczenie lub odstępy między cewkami. Ogólnie rzecz biorąc, cewki powinny być rozmieszczone równomiernie i wyśrodkowane na złączu spawanym. W tak wyposażonych systemach regulator temperatury może ustalić zapotrzebowanie na moc w sposób analogowy, zapewniając wystarczającą moc do utrzymania profilu temperatury. Źródło zasilania zapewnia zasilanie podczas całego procesu.

Czas cyklu. Indukcyjna metoda podgrzewania wstępnego i odprężania zapewnia stosunkowo krótki czas osiągnięcia temperatury. W przypadku grubszych aplikacji, takich jak wysokociśnieniowe linie parowe, nagrzewanie indukcyjne może skrócić czas cyklu o dwie godziny. Możliwe jest skrócenie czasu cyklu z temperatury kontrolnej do temperatury wygrzewania.

Materiały eksploatacyjne. Izolacja stosowana w nagrzewaniu indukcyjnym jest łatwa do przymocowania do obrabianych przedmiotów i może być wielokrotnie używana. Ponadto cewki indukcyjne są wytrzymałe i nie wymagają stosowania delikatnego drutu lub materiałów ceramicznych. Ponadto, ponieważ cewki indukcyjne i złącza nie działają w wysokich temperaturach, nie ulegają degradacji.

Łatwość użytkowania. Główną zaletą podgrzewania indukcyjnego i odprężania jest jego prostota. Izolacja i kable są łatwe do zainstalowania, zwykle zajmuje to mniej niż 15 minut. W niektórych przypadkach obsługi sprzętu indukcyjnego można nauczyć się w ciągu jednego dnia.

Wydajność energetyczna. Inwerterowe źródło zasilania ma 92-procentową sprawność, co jest kluczową zaletą w erze gwałtownie rosnących kosztów energii. Dodatkowo, proces nagrzewania indukcyjnego jest wydajny w ponad 80 procentach. Jeśli chodzi o pobór mocy, proces indukcyjny wymaga jedynie 40-amperowej linii dla 25 kW mocy.

Bezpieczeństwo. Podgrzewanie wstępne i odprężanie metodą indukcyjną jest przyjazne dla pracowników. Nagrzewanie indukcyjne nie wymaga gorących elementów grzejnych i złączy. Z kocami izolacyjnymi związana jest bardzo niewielka ilość cząstek stałych unoszących się w powietrzu, a sama izolacja nie jest narażona na temperatury wyższe niż 1800 stopni, co może powodować rozpad izolacji na pył, który pracownicy mogą wdychać.

Niezawodność. Jednym z najważniejszych czynników wpływających na wydajność odprężania jest nieprzerwany cykl. W większości przypadków przerwanie cyklu oznacza, że obróbka cieplna będzie musiała zostać powtórzona, co jest istotne, gdy cykl termiczny może trwać cały dzień. Elementy systemu nagrzewania indukcyjnego sprawiają, że przerwy w cyklu są mało prawdopodobne. Okablowanie indukcyjne jest proste, dzięki czemu jest mniej podatne na awarie. Ponadto do sterowania dopływem ciepła do części nie są używane żadne styczniki.

Wszechstronność. Oprócz korzystania z indukcyjne systemy grzewcze W celu wstępnego podgrzania i odprężenia rur, użytkownicy dostosowali ten proces do spawów, kolanek, zaworów i innych części. Jednym z aspektów nagrzewania indukcyjnego, który czyni go atrakcyjnym dla złożonych kształtów, jest możliwość regulacji cewek podczas procesu nagrzewania w celu dostosowania do unikalnych części i radiatorów. Operator może rozpocząć proces, określić efekty procesu nagrzewania w czasie rzeczywistym i zmodyfikować pozycję cewki, aby zmienić wynik. Kable indukcyjne można przesuwać bez oczekiwania na chłodzenie powietrzem po zakończeniu cyklu.

Nagrzewanie indukcyjne przed zastosowaniami spawalniczymi

Technologia ta sprawdziła się w wielu projektach, w tym w rurociągach naftowych i gazowych, budowie ciężkiego sprzętu oraz konserwacji i naprawach sprzętu górniczego.

Rurociąg naftowy. Konserwacja rurociągu naftowego w Ameryce Północnej wymagała podgrzania rury przed przyspawaniem tulei naprawczych lub złączek do 48-calowego obwodu rurociągu. Podczas gdy pracownicy mogli dokonywać wielu napraw bez konieczności zatrzymywania przepływu ropy naftowej lub spuszczania jej z rury, obecność samej ropy naftowej utrudniała wydajność spawania, ponieważ przepływająca ropa pochłaniała ciepło. Palniki propanowe wymagały ciągłego przerywania spawania w celu utrzymania ciepła, a ogrzewanie oporowe - choć zapewniało ciągłe ciepło - często nie było w stanie osiągnąć wymaganej temperatury spoiny.

Pracownicy wykorzystali dwa systemy o mocy 25 kW z równoległymi kocami, aby uzyskać temperaturę podgrzewania 125 stopni podczas napraw tulei obwodowych. W rezultacie skrócili czas cyklu z ośmiu do 12 godzin do czterech godzin na jedną spoinę obwodową.

Wstępne podgrzewanie złączki STOPPLE (trójnik z zaworem) było jeszcze większym wyzwaniem ze względu na większą grubość ścianki złączki. W przypadku nagrzewania indukcyjnego firma zastosowała jednak cztery systemy o mocy 25 kW z równoległą konfiguracją koców. Użyto dwóch systemów po każdej stronie trójnika. Jeden system został użyty na głównej linii do wstępnego podgrzania oleju, a drugi został użyty do wstępnego podgrzania trójnika na obwodowym złączu spawanym. Temperatura podgrzewania wynosiła 125 stopni. Skróciło to czas spawania z 12 do 18 godzin do siedmiu godzin na spoinę obwodową.

Rurociąg gazu ziemnego. Projekt budowy rurociągu gazu ziemnego obejmował budowę rurociągu o średnicy 36 cali i grubości 0,633 cala z Alberty w Kanadzie do Chicago. Na jednym z odcinków tego rurociągu wykonawca spawania wykorzystał dwa źródła o mocy 25 kW zamontowane na ciągniku z kocami indukcyjnymi przymocowanymi do wysięgników w celu zapewnienia szybkości i wygody. Źródła mocy podgrzewały wstępnie obie strony złącza rurowego. Kluczowe dla tego procesu były szybkość i niezawodna kontrola temperatury. Wraz ze wzrostem zawartości stopu w materiałach w celu zmniejszenia masy i czasu spawania oraz wydłużenia żywotności części, kontrola temperatury podgrzewania staje się coraz bardziej krytyczna. W przypadku tego zastosowania nagrzewania indukcyjnego uzyskanie 250-stopniowej temperatury nagrzewania wstępnego wymagało mniej niż trzech minut.

Ciężki sprzęt. Producent ciężkiego sprzętu często spawał zęby adaptera na krawędziach łyżki ładowarki. Zespół spawany sczepnie był przenoszony tam i z powrotem do dużego pieca, co wymagało od operatora spawania czekania, aż część zostanie wielokrotnie podgrzana. Producent zdecydował się wypróbować nagrzewanie indukcyjne w celu wstępnego podgrzania zespołu, aby zapobiec przemieszczaniu się produktu.

Materiał miał grubość 4 cali i wymagał wysokiej temperatury podgrzewania ze względu na zawartość stopu. Aby spełnić wymagania aplikacji, opracowano niestandardowe koce indukcyjne. Izolacja i konstrukcja cewki zapewniły dodatkową korzyść w postaci ochrony operatora przed promieniowaniem cieplnym części. Ogólnie rzecz biorąc, operacje były znacznie bardziej wydajne, skracając czas spawania i utrzymując temperaturę podczas całego procesu spawania.

Sprzęt górniczy. Kopalnia doświadczała problemów z pękaniem na zimno i nieefektywnym podgrzewaniem wstępnym przy użyciu nagrzewnic propanowych podczas napraw sprzętu górniczego. Operatorzy spawania musieli często zdejmować konwencjonalny koc izolacyjny z grubej części, aby zastosować ciepło i utrzymać część w odpowiedniej temperaturze.

Podgrzewacz indukcyjny utrzymuje temperaturę krawędzi łyżki podczas mocowania zębów.
Kopalnia zdecydowała się wypróbować nagrzewanie indukcyjne przy użyciu płaskich, chłodzonych powietrzem koców do wstępnego podgrzania części przed spawaniem. Proces indukcyjny szybko doprowadzał ciepło do części. Można go było również używać w sposób ciągły podczas procesu spawania. Czas naprawy spoiny został skrócony o 50 procent. Ponadto źródło zasilania było wyposażone w regulator temperatury, który utrzymywał część w docelowej temperaturze. Pozwoliło to niemal całkowicie wyeliminować przeróbki spowodowane pękaniem na zimno.

Elektrownia. Producent elektrowni budował elektrownię na gaz ziemny w Kalifornii. Kotlarze i monterzy rurociągów doświadczali opóźnień w budowie ze względu na metody wstępnego podgrzewania i odprężania, które stosowali na przewodach parowych elektrowni. Firma wprowadziła technologię nagrzewania indukcyjnego w celu zwiększenia wydajności, szczególnie w przypadku prac nad średnimi i dużymi przewodami parowymi, ponieważ te elementy wymagają najwięcej czasu na obróbkę cieplną w miejscu pracy.

Prostota owijania koców indukcyjnych wokół złożonych kształtów, takich jak w tej elektrowni gazu ziemnego, może skrócić czas obróbki cieplnej.
W przypadku typowego 16-calowego weldoletu o grubości ścianki 2 cale, nagrzewanie indukcyjne pozwoliło skrócić o dwie godziny czas do osiągnięcia temperatury (600 stopni) i kolejną godzinę do osiągnięcia temperatury wygrzewania (600 stopni do 1350 stopni) w celu odprężenia.