Способ управления процессом высокочастотной сварки трубной заготовки Российский патент 2021 года по МПК B23K13/02 B23K101/06 B21C37/08 

Область техники

Изобретение относится к способу управления процессом высокочастотной сварки трубной заготовки и может быть использовано при производстве стальных электросварных труб нефтегазового сортамента.

Уровень техники

Известны способы управления процессом высокочастотной сварки трубной заготовки, основанные на получении с помощью скоростных видеокамер многочисленных изображений области вблизи точки схождения кромок, определении сварочных перемычек, возникающих в сварочной щели, анализе частоты образования и параметров их перемещения (см. патент Японии №6323293, опубл. 16.05.2018; патент Японии №5510615, опубл. 04.06.2014).

Недостатком известных способов является сложность их практической реализации, обусловленная необходимостью защиты применяемых высокоскоростных камер, располагающихся непосредственно над точкой сварки, от воздействия на них высокой температуры, пара и искр, вылетающих из зоны сварки. Пар и капли воды, неизбежно попадающие на шов при охлаждении валков сварочной клети, влияют также на качество получаемых изображений, внося искажения в анализ и управление процессом сварки.

Известен способ управления процессом высокочастотной сварки трубной заготовки путем воздействия на мощность сварочного генератора в зависимости от сигнала, характеризующего параметры сварочного процесса, при этом в качестве регулирующего сигнала используют амплитуду пульсаций высокочастотного напряжения в сварочном контуре, возникающих при периодических изменениях положения точек схода кромок трубных заготовок (см. А.С. СССР №335889, опубл. 25.06.1978). Для его реализации напряжение пульсации выделяется из общего напряжения, действующего на кромках заготовки (или элементах нагревательного устройства), выпрямляется, сглаживается и сравнивается с эталонной величиной (напряжением задания), разность этих величин усиливается и управляет мощностью источника питания.

Недостатком известного способа является низкая достоверность получаемых результатов из-за невысокой амплитуды пульсаций напряжения сварочного генератора при образовании сварочных перемычек и, как следствие, низкого соотношения полезный сигнал/шум.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению является способ управления процессом высокочастотной сварки трубной заготовки, раскрытый в публикации международной заявки WO 86/03443 (опубл. 19.06.1986). В соответствии с ближайшим аналогом сварочный процесс контролируется путем выделения информации об образовании сварочных перемычек не из пульсаций амплитуды сварочного напряжения, а из изменений частоты сварочного генератора, которые менее подвержены воздействию помех при возникновении сварочных перемычек. При этом из изменений частоты сварочного генератора формируют сигнал временного ряда (СВР), экстремумы которого соответствуют времени возникновения сварочных перемычек, а частота данного сигнала близка к частоте образования сварочных перемычек. Причем выделение СВР из изменений частоты сварочного генератора осуществляют с помощью схемы фазовой амплитудной подстройки частоты (ФАПЧ). Фазовый компаратор схемы ФАПЧ формирует выходной сигнал, соответствующий разности фаз между его входом и выходом внутреннего генератора схемы, частота которого управляется напряжением. Выход с компаратора через фильтр низкой частоты выводится в качестве сигнала с низкочастотной амплитудой на накопительную схему удержания (интегратор). Схема формирования сигнала определения частоты СВР производит определение частоты за выбранный временной интервал. Разница между значением, выводимым схемой формирования сигнала определения частоты СВР, и изменением частоты, выводимым схемой удержания, управляет выходной электрической мощностью сварочного генератора. При этом сварочная мощность регулируется автоматически, поддерживая величину частоты СВР на заданном уровне.

Недостатком прототипа является то, что в нем не учтено влияние скорости сварки труб, как на форму самого СВР, так и на частоту, определяемую схемой формирования сигнала определения частоты СВР. При изменении скорости сварки количество сварочных перемычек, образовавшихся в единицу времени в сварном соединении, меняется пропорционально скорости. Это обстоятельство может приводить к сбоям в процессе контроля сварочного процесса. Кроме того, при реализации прототипа, не предусмотрено осуществление контроля за величиной интервалов между моментами образования сварочных перемычек. При этом исследования, проведенные авторами заявляемого изобретения, показали, что при наличии сварочных перемычек, у которых расстояние от точки их возникновения до точки возникновения предыдущей перемычки существенно отличается от средней длины между точками возникновения соседних перемычек, в сварном соединении появляются участки, в которых остаются сварочные оксиды, снижающие ударную вязкость сварного соединения. Причем такие сварочные перемычки могут возникать и при сварке на режимах, на которых частота СВР не выходит за заданные пределы.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в разработке способа управления процессом высокочастотной сварки трубной заготовки, обеспечивающего получение высоких и стабильных характеристик ударной вязкости сварного соединения.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении содержания неметаллических включений в сварном соединении.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что способ управления процессом высокочастотной сварки трубной заготовки включает определение моментов возникновения сварочных перемычек посредством выделения дифференцированного сигнала изменения частоты напряжения сварочного генератора и последующей нормализацией данного сигнала, при этом за момент формирования сварочной перемычки принимают импульс полученного нормализованного сигнала, и выполнение этапов, на которых: определяют количество сварочных перемычек (Q), образующихся в процессе формирования участка сварного соединения заданной длины, сопоставляют полученное значение Q с заданными минимальным (Q_MIN) и максимальным (Q_MAX) допустимыми значениями, при этом, если Q<Q_MIN, то снижают нагрев кромок свариваемой трубной заготовки, если Q>Q_MAX, то повышают нагрев кромок свариваемой трубной заготовки; определяют количество и длину отрезков сварного соединения, последовательно образующихся при формировании участка сварного соединения заданной длины, границы которых соответствуют моментам возникновения соседних сварочных перемычек; определяют значения показателей X и Y, где X - доля количества упомянутых отрезков сварного соединения, длина которых больше максимального заданного значения, от общего количества упомянутых отрезков сварного соединения, последовательно образовавшихся при формировании участка сварного соединения заданной длины; Y - доля количества упомянутых отрезков сварного соединения, длина которых меньше минимального заданного значения, от общего количества упомянутых отрезков сварного соединения, последовательно образовавшихся при формировании участка сварного соединения заданной длины; сопоставляют полученное значение показателя X с заданным допустимым значением Х_MAX, а полученное значение показателя Y сопоставляют с заданными допустимым значением Y_MAX, при этом, если Х>Х_МАX, то снижают нагрев кромок свариваемой трубной заготовки, а если Y>Y_MAX, то повышают нагрев кромок свариваемой трубной заготовки.

Кроме того, предусмотрены частные варианты реализации способа, согласно которым:

- после указанной корректировки нагрева кромок свариваемой трубной заготовки, проводимой для случаев, когда Q<Q_MIN или Q>Q_MAX, повторяют реализацию первого этапа до выхода на режим сварки, при котором получают Q, соответствующее диапазону Q_MIN÷Q_MAX, после чего переходят к реализации следующих описанных этапов.

- после указанной корректировки нагрева кромок свариваемой трубной заготовки, проводимой для случаев, когда Х>Х_МАХ или Y>Y_MAX, повторяют реализацию всех описанных этапов способа до выхода на режим сварки, при котором получают Х≤Х_MAX и Y<Y_MAX.

Снижение ударной вязкости сварных соединений труб, сваренных токами высокой частоты, обусловлено наличием неметаллических включений в линии сплавления.

Образование таких включений в сварных соединениях объясняется возвратом расплавленного металла, смешанного с оксидами, в полости, периодически возникающими при избыточном нагреве при сварке. Включения тем не менее обнаруживаются в шве и при нагреве, считавшемся оптимальным.

Исследованиями, проведенными авторами, подтверждено, что при движении перемычек по узкому сварочному зазору они производят своеобразное "подметание", очистку шва от оксидов. При этом замечено, что плотность дефектов сварки сильно зависит также от закономерностей движения перемычек. Основной причиной образования включений в процессе сварки на считавшемся оптимальном режиме является возврат расплавленного металла с кромок в сварочный зазор, вызванный нерегулярным образованием сварочных перемычек. В частности, выявлено, что при наличии сварочных перемычек, у которых расстояние от точки их возникновения до точки возникновения предыдущей перемычки существенно отличается от средней длины между точками возникновения соседних перемычек, в сварном соединении появляются участки, в которых остаются сварочные оксиды.

Движение сварочных перемычек приводит к изменению полного сопротивления цепи сварочного тока и, соответственно, к изменению нагрузки на сварочный генератор, что, в свою очередь, вызывает изменение его частоты.

Определение сварочных перемычек посредством анализа импульсов сигнала, полученного выделением дифференцированного сигнала изменения частоты напряжения сварочного генератора и последующей нормализацией данного сигнала, позволяет точно определить моменты возникновения сварочных перемычек, при этом исключить из анализа низкочастотные колебания частоты сварочного генератора, не связанные с образованием перемычек.

При наличии сварочных перемычек, образовавшихся в процессе формирования отрезка сварного соединения заданной длины, в количестве менее заданного минимального значения (Q_MIN), определяемого опытным путем, процесс сварки идет с перегревом кромок свариваемой трубной заготовки, что негативно сказывается на качестве формируемого сварного соединения, поэтому в данном случае требуется снизить нагрев кромок трубной заготовки.

При наличии сварочных перемычек, образовавшихся в процессе формирования отрезка сварного соединения заданной длины, в количестве более заданного максимального значения (Q_MAX), определяемого опытным путем, процесс сварки идет с недогревом кромок свариваемой трубной заготовки, что также негативно сказывается на качестве формируемого сварного соединения, поэтому в данном случае требуется повысить нагрев кромок трубной заготовки.

В случаях, если Х>Х_MAX или Y>Y_MAX, процесс образования сварочных перемычек неоптимален и нестабилен, что негативно отражается на содержании неметаллических включений в сварном соединении. При этом для стабилизации данного процесса, когда Х>Х_MAX, требуется снизить нагрев кромок свариваемой трубной заготовки, а когда Y>Y_MAX - повысить нагрев кромок свариваемой трубной заготовки.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых отличительными существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного выше технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение раскрыто с помощью примеров реализации, которые являются чисто иллюстративными и не ограничивают объема притязаний по настоящему изобретению, определяемого только приложенной формулой изобретения с учетом эквивалентов.

Общая схема реализации заявленного способа управления процессом высокочастотной сварки трубной заготовки предусматривает использование индукционной катушки, располагающейся вблизи сварочного генератора или точки сварки. Сигнал с катушки поступает в электронное устройство, выход с которого управляет нагревом кромок посредством увеличения или снижения выходной электрической мощности сварочного генератора.

Электронное устройство содержит:

- блок В1 - блок выделения изменений частоты генератора;

- блок В2 - блок определения количества сварочных перемычек, образующихся в процессе формирования отрезка сварного соединения заданной длины;

- блок В3 - блок определения количества и длины отрезков сварного соединения, последовательно образующихся при формировании участка сварного соединения заданной длины, границы которых соответствуют моментам возникновения соседних сварочных перемычек;

- блок В4 - блок оценки и корректировки процесса.

Данное электронное устройство может быть реализовано специалистом с использованием микросхем, промышленного компьютера и устройств обработки информации, оборудованных различными типами интерфейсов.

При включении сварочного генератора в индукционной катушке наводится напряжение, поступающее в блок В1, в котором выделяется сигнал изменения частоты напряжения сварочного генератора. Выделенный сигнал дифференцируется для того, чтобы устранить медленные изменения частоты, не связанные с образованием сварочных перемычек. После этого дифференцированный сигнал передается в блоки В2 и В3, где он нормализуется для выделения экстремумов. Кроме этого в блоки В2 и В3 также передаются мерные импульсы, идущие через определенное расстояние с каждого миллиметра свариваемой трубной заготовки, снимаемые с мерного колеса, непрерывно контактирующего со свариваемой трубной заготовкой.

В блоке В2 счетчик формирования длины участка сварного соединения, в пределах которой определяется количество образовавшихся перемычек, считает заданное количество мерных импульсов, определяя тем самым требуемый интервал по длине шва. В пределах заданного интервала по длине шва счетчик количества перемычек производит счет количества импульсов нормализованного дифференцированного сигнала изменения частоты напряжения сварочного генератора. Далее в блоке В4 осуществляется сопоставление полученного значения количества образовавшихся перемычек Q с заданными минимальным (Q_MIN) и максимальным (Q_MAX) допустимыми значениями, при этом, если Q<Q_MIN, то на выходе блока В4 формируется сигнал на снижение выходной электрической мощности сварочного генератора, т.е. на снижение нагрева кромок свариваемой трубной заготовки, а если Q>Q_MAX, то на выходе блока В4 формируется сигнал на увеличение выходной электрической мощности сварочного генератора, т.е. на повышение нагрева кромок свариваемой трубной заготовки. Величина, на которую требуется увеличить или снизить выходную электрическую мощность сварочного генератора, определяется опытным путем.

В частном случае реализации способа после проведения указанной корректировки процесса сварки трубной заготовки вышеописанные действия повторяются для следующего участка сварного соединения с целью оценки эффективности выполненной корректировки. Данные действия повторяются до выхода на режим сварки, при котором Q соответствует диапазону Q_MIN÷Q_MAX. Данный вариант направлен на повышение эффективности способа и его целесообразно применять при производстве сортамента продукции, для которого не определена величина, на которую требуется увеличить или снизить выходную электрическую мощность сварочного генератора по результатам анализа количества образующихся сварочных перемычек.

Далее в блоке В3 в пределах заданного интервала по длине шва осуществляется счет количества отрезков сварного соединения, границы которых соответствуют моментам возникновения соседних сварочных перемычек, т.е. соседним импульсам нормализованного дифференцированного сигнала изменения частоты напряжения сварочного генератора, и определяется длина данных отрезков сварного соединения. После чего в блоке В4 осуществляется определение значения показателя X - доли количества отрезков сварного соединения, длина которых больше максимального заданного значения, от общего количества отрезков сварного соединения, последовательно образовавшихся при формировании участка сварного соединения заданной длины, и значение показателя Y - доли количества отрезков сварного соединения, длина которых меньше минимального заданного значения, от общего количества отрезков сварного соединения, последовательно образовавшихся при формировании участка сварного соединения заданной длины. Далее в блоке В4 осуществляется сопоставление полученного значения показателя X с заданным допустимым значением Х_MAX, а полученного значения показателя Y - с заданными допустимым значением Y_MAX, при этом, если Х>Х_МАХ, то на выходе блока В4 формируется сигнал на снижение выходной электрической мощности сварочного генератора, т.е. на снижение нагрева кромок свариваемой трубной заготовки, а если Y>Y_MAX, то на выходе блока В4 формируется сигнал на увеличение выходной электрической мощности сварочного генератора, т.е. на повышение нагрева кромок свариваемой трубной заготовки. Величина, на которую увеличивается или снижается выходная электрическая мощность сварочного генератора, определяется опытным путем.

В частном случае реализации заявленного способа после указанной корректировки нагрева кромок свариваемой трубной заготовки, проводимой для случаев, когда Х>Х_МАХ или Y>Y_MAX, полностью повторяют реализацию вышеописанных действий до выхода на режим сварки, при котором получают Х≤Х_МАX и Y≤YMAX. Данный вариант направлен на повышение эффективности способа и его целесообразно применять при производстве сортамента продукции, для которого не определена величина, на которую требуется увеличить или снизить выходную электрическую мощность сварочного генератора по результатам анализа процесса возникновения сварочных перемычек.

Заявленный способ управления процессом высокочастотной сварки опробован в трубоэлектросварочном цехе АО «Выксунский металлургический завод» при сварке труб размером 245×8 мм из стали 09ГСФ.

Блок выделения изменения частоты генератора был собран на основе микросхемы фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ CD4046A (К561ГГ1).

Определение количества сварочных перемычек, количества отрезков сварного соединения и их длины осуществлялось для участка сварного соединения длиной 500 мм.

При сварке трубной заготовки для указанной длины сварного соединения было установлено образование 315-ти сварочных перемычек, что соответствовало допустимому диапазону значений. При установленных значениях максимальной допустимой длины отрезков сварного соединения, последовательно образующихся при формировании участка сварного соединения заданной длины, границы которых соответствуют моментам возникновения соседних сварочных перемычек, равном 6 мм, и минимально допустимой длины - 1 мм, значения показателей X и Y составили, соответственно, 2,7 и 6%. При этом полученное значение показателя X превышало заданное допустимое значение Х_MAX. По данному режиму сварки была изготовлена первая партия труб.

При производстве второй партии труб в соответствии с заявленным изобретением снизили сварочную мощность генератора. По результатам анализа скорректированного процесса сварки на участке соединения длиной 500 мм было установлено образование 325-ти перемычек, что также соответствовало допустимому диапазону значений, при этом получили значения Х=0,7% и Y=7,5%, что также не превышало заданные допустимые значения Х_MAX и Y_MAX.

Результаты испытаний сварного соединения на растяжение, сплющивание и загиб оказались удовлетворительны для труб обеих партий. При испытаниях сварного соединения труб первой партии на ударный изгиб KCU^-60 средние значения ударной вязкости составили 224 Дж/см², а при испытаниях сварного соединения труб второй партии 257 Дж/см², при стандартных отклонениях равных 35,6 Дж/см² и 9,5 Дж/см² соответственно. Дополнительно проведены металлографические исследования поверхности излома испытанных образцов, которые показали наличие в образцах, отобранных от труб первой партии и имеющих низкие значения ударной вязкости, областей со скоплениями неметаллических включений. В образцах, отобранных от труб второй партии, на поверхности излома участков со скоплениями оксидов вблизи надреза не наблюдалось.

Таки образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:

- заявленный способ, предназначен для использования в промышленности, в частности, для производства стальных электросварных труб нефтегазового сортамента;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение может быть использовано при производстве стальных электросварных труб высокочастотной сваркой. Определяют моменты возникновения сварочных перемычек посредством выделения дифференцированного сигнала изменения частоты напряжения сварочного генератора. После определения количества сварочных перемычек, образующихся в процессе формирования участка сварного соединения заданной длины, сопоставляют полученное значение с заданными минимальным и максимальным допустимыми значениями. По результатам сопоставления снижают или повышают нагрев кромок свариваемой трубной заготовки. Определяют количество и длину последовательно образующихся отрезков сварного соединения, границы которых соответствуют моментам возникновения соседних сварочных перемычек. Определяют долю упомянутых отрезков, длина которых больше или меньше максимального заданного значения, от общего количества отрезков, последовательно образовавшихся при формировании участка сварного соединения. Сопоставляют полученные значения показателей с заданными максимально допустимыми значениями, и по результатам сопоставления снижают или повышают нагрев кромок свариваемой трубной заготовки. Технический результат заключается в снижении содержания неметаллических включений в сварном соединении. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ управления процессом высокочастотной сварки трубной заготовки, включающий определение моментов возникновения сварочных перемычек посредством выделения дифференцированного сигнала изменения частоты напряжения сварочного генератора и последующей нормализацией данного сигнала, при этом за момент формирования сварочной перемычки принимают импульс полученного нормализованного сигнала, и выполнение этапов, на которых:

a) определяют количество сварочных перемычек (Q), образующихся в процессе формирования участка сварного соединения заданной длины, сопоставляют полученное значение Q с заданными минимальным (Q_MIN) и максимальным (Q_max) допустимыми значениями, при этом,

если Q<Q_min, то снижают нагрев кромок свариваемой трубной заготовки,

если Q>Q_max, то повышают нагрев кромок свариваемой трубной заготовки;

b) определяют количество и длину отрезков сварного соединения, последовательно образующихся при формировании участка сварного соединения заданной длины, границы которых соответствуют моментам возникновения соседних сварочных перемычек;

c) определяют значения показателей X и Y,

где X - доля количества упомянутых отрезков сварного соединения, длина которых больше максимального заданного значения, от общего количества упомянутых отрезков сварного соединения, последовательно образовавшихся при формировании участка сварного соединения заданной длины;

Y - доля количества упомянутых отрезков сварного соединения, длина которых меньше минимального заданного значения, от общего количества упомянутых отрезков сварного соединения, последовательно образовавшихся при формировании участка сварного соединения заданной длины;

d) сопоставляют полученное значение показателя X с заданным допустимым значением Х_мах, а полученное значение показателя Y сопоставляют с заданными допустимым значением Y_max, при этом,

если Х>Х_MAX, то снижают нагрев кромок свариваемой трубной заготовки,

если Y>Y_MAX, то повышают нагрев кромок свариваемой трубной заготовки.

2. Способ по п. 1, в котором после указанной корректировки нагрева кромок свариваемой трубной заготовки, проводимой для случаев, когда Q<Q_min или Q>Q_max, повторяют реализацию этапа а) до выхода на режим сварки, при котором получают Q, соответствующее диапазону Q_min÷Q_max, после чего переходят к реализации этапов b)-d).

3. Способ по п. 2 или 3, в котором после указанной корректировки нагрева кромок свариваемой трубной заготовки, проводимой для случаев, когда Х>Х_мах или Y>Y_max, повторяют реализацию этапов a)-d) до выхода на режим сварки, при котором получают Х≤Х_МАХ и Υ≤Υ_MAX.