Tăng tốc độ hàn ống nhà máy: Kiểm tra công nghệ cho các nhà sản xuất ống

Trong quá trình sản xuất ống bằng cách hàn và tạo hình cuộn liên tục, chi phí của thành phẩm liên quan trực tiếp đến tốc độ sản xuất thường được kiểm soát bởi tốc độ tối đa của quy trình hàn. Logic rất đơn giản: Tăng tốc độ máy nghiền ống trong khi vẫn duy trì chất lượng mối hàn là một lợi thế.

Bài viết này thảo luận về công nghệ cung cấp năng lượng hàn hồ quang xung cường độ cao, tần số cao mà nhà sản xuất tuyên bố đã tăng tốc độ hàn của nhà máy ống lên tới 300 phần trăm trong các cơ sở lắp đặt ở Châu Âu.

Sản xuất ống hàn

Các nhà máy ống sản xuất ống và ống thành mỏng bằng cách lấy một dải vật liệu liên tục và cuộn tạo hình dọc theo chiều dài của dải cho đến khi các cạnh gặp nhau và ghép với nhau tại một trạm hàn. Tại điểm hàn này, quá trình hàn nóng chảy và hợp nhất các cạnh của dải với nhau, và vật liệu thoát ra khỏi trạm hàn dưới dạng ống hàn.

Câu hỏi rõ ràng trở thành, “Làm thế nào có thể tăng tốc độ mối hàn của nhà máy ống?” Với bầu không khí tiết kiệm và cắt giảm hiện nay, kỹ sư sản xuất của một cơ sở sản xuất ống đã trở nên quen thuộc với nhiều khía cạnh của quy trình sản xuất, bao gồm các nguyên tắc sản xuất và tự động hóa, tạo hình cán ống, thiết kế hộp hàn, chất lượng mép dải, công nghệ vật liệu, và kiểm soát chất lượng.

Tuy nhiên, một số lượng đáng ngạc nhiên các kỹ sư điều tra tiềm năng tối đa của cơ khí nhà máy và bỏ qua nút cổ chai chính: quá trình hàn.

Quy trình hàn TIG

Nhiều nhà sản xuất ống sử dụng hàn hồ quang khí trơ vonfram (TIG) làm bước cuối cùng trong quy trình sản xuất ống. Trong hàn TIG, một hồ quang được đánh giữa điện cực vonfram nhọn và vật liệu được hàn. Sức nóng của hồ quang — lên tới 25.000 độ F — làm tan chảy đường hàn, đường hàn này hầu như không nhìn thấy được sau quá trình xử lý sau này.

Điện cực vonfram, hồ quang và mối hàn được bao phủ bởi một lớp khí trơ chảy ra từ mỏ hàn. Khí bảo vệ sẽ đẩy không khí và hơi ẩm ra khỏi khu vực mối hàn, giúp giảm thiểu quá trình oxy hóa mối hàn.

Tốc độ máy nghiền ống được tăng lên cho đến khi vật liệu nóng chảy không còn chảy vào nhau tại mối hàn. Tại thời điểm đó, người vận hành máy nghiền ống thường ghi lại tốc độ hàn đạt được, thiết lập các giới hạn của hệ thống đối với vật liệu cụ thể được hàn. Cách suy nghĩ này có thể gây hại cho một công ty.

Hàn đơn hoặc nhiều catot

Để tăng tốc độ hàn, một số công ty đã mua hệ thống hàn đa cực. Hệ thống catốt kép hoặc ba đã có sẵn trong một thời gian.

Trong các hệ thống ba cực, ba mỏ hàn bắn ba cung riêng biệt. Vòng cung đầu tiên làm nóng vật liệu ống, vòng cung thứ hai tạo ra mối hàn và vòng cung cuối cùng thường được sử dụng để làm nhẵn bề mặt mối hàn. Quá trình này có thể phức tạp đối với một số công ty.

Hình 1: Xung hồ quang thông thường liên quan đến việc sử dụng nguồn điện để thay đổi nhanh chóng dòng điện hàn từ giá trị cao (dòng điện cực đại) sang giá trị thấp (dòng điện nền).

Công nghệ mới

Công nghệ chùm tia TIG đơn cực âm mới đã được phát triển và hoàn thiện cho ngành công nghiệp ống và ống dẫn trong hai năm qua ở Đức. Bộ nguồn tuyến tính trạng thái rắn sử dụng các bóng bán dẫn phản ứng nhanh và điều hòa tín hiệu để cung cấp dòng điện hàn 300, 600 hoặc 900 ampe với tốc độ lên tới 10.000 xung mỗi giây.

Quá trình chuyển đổi nhanh chóng từ giá trị dòng điện cao sang giá trị dòng điện thấp tạo xung ở tần số cao giúp giảm kích thước hồ quang. Điều này dẫn đến hồ quang có mật độ năng lượng cao, tạo ra vũng hàn nhỏ hơn cho cùng một lượng dòng điện. Bể hàn nhỏ hơn có độ ngấu cao và sức căng bề mặt thấp.

Kết hợp xung hồ quang truyền thống với mật độ năng lượng gia tăng của hồ quang tia TIG xung tần số cao giúp tăng tốc độ hàn trong khi vẫn duy trì chất lượng mối hàn.

Hiểu xung hồ quang

Xung hồ quang thông thường liên quan đến việc sử dụng nguồn điện để thay đổi nhanh chóng dòng điện hàn từ giá trị cao (dòng điện cực đại) sang giá trị thấp (dòng điện nền) (xem Hình 1 ). Trong một số trường hợp, các vật liệu và mối hàn khó hàn bằng hồ quang không xung có thể được hàn bằng kỹ thuật hồ quang xung.

Xung hồ quang liên quan đến bốn thông số hàn: dòng điện cực đại, dòng điện nền, độ rộng xung (chu kỳ nhiệm vụ) và tần số xung. Các thông số này ảnh hưởng đến lực và độ ổn định của hồ quang cũng như tốc độ và chất lượng mối hàn.

Hình 2: Biểu đồ này cho thấy mối quan hệ giữa áp suất hồ quang và tần số xung.

Dòng điện cực đại, Dòng điện nền và Độ rộng xung. Sức nóng của hồ quang TIG có thể làm tan chảy hầu hết các kim loại trong khoảng 25% thời gian cần thiết để chất tan chảy đông đặc lại. Mục đích của xung hàn là làm tan chảy và hóa rắn theo từng bước với xung hiện tại.

Độ rộng xung (phần trăm thời gian mà dòng điện cực đại chạy qua) thường được chọn trong khoảng từ 10 đến 35 phần trăm. Dòng điện cực đại và nền sau đó được chọn để cân bằng nhiệt đầu vào cho vật liệu. Dòng điện cực đại thường được đặt ở giá trị từ 2 đến 5 lần dòng điện nền phù hợp với độ rộng xung được sử dụng:

Dòng điện cực đại 600 ampe ở xung 35 phần trăm

chiều rộng = 210

Bối cảnh Dòng điện 200 ampe ở xung 65%

chiều rộng = 130

Dòng hàn trung bình 340

Tần số xung. Tần số xung thường được chọn có tham chiếu đến tốc độ mối hàn để đảm bảo rằng các điểm hàn được tạo ra bằng cách xung dòng điện chồng lên nhau tối thiểu là 60 phần trăm. Nhiều cơ sở sản xuất ống sử dụng độ chồng lên nhau khoảng 85 phần trăm để mối hàn trông mượt mà hơn.

Sau đây là một ví dụ:

Dải Chất Liệu thép không gỉ 304

Độ dày 0,5 milimét (0,020 inch)

Tốc độ hàn 20 mét mỗi phút (65,6 feet mỗi phút)

Giả sử rằng chiều rộng vũng hàn sẽ bằng khoảng 1,5 lần chiều dày vật liệu và cần có 85 phần trăm chồng lên nhau, khoảng cách giữa các xung hàn sẽ là:

Khoảng cách xung = Độ dày vật liệu x 1,5 x 15 phần trăm

= 0,020 x 1,5 x 0,15

= 0,0045 inch mỗi xung (IPP)

Tốc độ xung = Tốc độ hàn (inch trên giây [IPS])/Khoảng cách giữa các xung (IPP)

= 65,6 x 12/60 / 0,0045

= 2,915 hertz

Tốc độ xung tăng khi tốc độ hàn tăng. Trong nhiều trường hợp, tốc độ xung cao hơn được sử dụng để đạt được lợi ích của việc co hồ quang. Nguồn điện được chọn cho máy nghiền ống phải có cường độ dòng điện phù hợp, dạng sóng dòng điện vuông góc và khả năng tốc độ xung đủ để tốc độ hàn không bị hạn chế.

Hàn hồ quang xung tần số cao có tốc độ xung hơn 500 xung mỗi giây. Việc chuyển đổi tần số cao tạo ra sự gia tăng áp suất hồ quang (xem Hình 2 ). Áp suất hồ quang và độ cứng hoặc độ ổn định của hồ quang có liên quan với nhau, và khi tần số chuyển mạch gần 10 kilohertz, áp suất hồ quang tăng lên gần bốn lần so với áp suất hồ quang dòng điện một chiều (DC) ổn định.

Kết quả là diện tích tiết diện hồ quang giảm, mật độ hồ quang và nhiệt độ tăng.

Kết quả xung hồ quang

Sự giảm kích thước vật lý của hồ quang mang lại vũng hàn nhỏ hơn và giúp cải thiện tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng của mối hàn, do đó có tác động tích cực — giảm độ xốp, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhỏ hơn, v.v. — trên vật liệu tính chất cơ học hoặc sức mạnh cuối cùng. Hiệu ứng này cũng đã được ghi nhận với những thay đổi về tần số xung trong khi vẫn duy trì cùng dòng điện trung bình hoặc nhiệt đầu vào.

Các tác dụng khác của phương pháp tạo xung này là sự thay đổi cấu trúc tế vi, giảm nứt tế vi và giảm độ xốp của mối hàn. Ngoài ra, các mối hàn ngấu sâu có thể được thực hiện ở một số tần số, trong khi các mối hàn có thể được thực hiện rộng và nông với các thông số khác.

Nói chung, những hạn chế của việc áp dụng xung hồ quang nằm ở việc lựa chọn các thông số mối hàn chính xác cho một vật liệu nhất định. Thép không gỉ và đồng phản ứng rất tốt với hồ quang ngưng tụ, trong khi các vật liệu khác sẽ không hoạt động tốt với quá trình này vì chúng chậm chạp ở dạng nóng chảy.

Xung hồ quang tần số cao tạo ra tín hiệu âm thanh từ hồ quang. Vì lý do này, hộp hàn thường được bọc kín để giảm âm thanh.

Tốc độ hàn

Hồ quang mật độ cao hơn với sức căng bề mặt vũng hàn nhỏ hơn cho phép tăng tốc độ hàn tương ứng theo khả năng của máy nghiền ống hỗ trợ.

Chìa khóa để tăng tốc độ hàn của máy nghiền ống là cung cấp khả năng tạo cuộn nhất quán của vật liệu dạng dải để trình bày cạnh tại trạm hàn. Điều này cho phép quá trình hàn dầm TIG tối đa hóa sản lượng của nhà máy.

Tốc độ hàn phụ thuộc vào:

1. Dải thành phần vật liệu và khả năng hàn và giới hạn dung sai chứng nhận.

2. Chất gây ô nhiễm bề mặt vật liệu.

3. (Các) khí bảo vệ mối hàn được sử dụng.

4. Chất lượng cạnh dải.

5. Máy nghiền ống và/hoặc hộp hàn có khả năng cung cấp hình dạng mối nối nhất quán với khe hở hoặc cạnh không khớp tối thiểu khi đưa ống vào hồ quang hàn.

6. Cung cấp năng lượng cho hệ thống hàn cường độ dòng điện tối đa và chu kỳ nhiệm vụ và khả năng xung hồ quang sóng vuông tần số cao.

Do hệ thống hàn không kiểm soát được các yếu tố nên không phải lúc nào cũng đạt được tốc độ máy nghiền tối đa. Nhiều trường hợp tồn tại trong đó hai nhà máy ống tạo thành các vật liệu tương tự có kích thước giống hệt nhau đang chạy ở tốc độ khác nhau đáng kể do có sự tham gia của các nhà máy ống. Tuy nhiên, xung hàn tần số cao đã được chứng minh là giúp tăng tốc độ hàn khoảng 25 phần trăm trên một nhà máy trung bình.

Giới hạn tốc độ trong nhà máy ống

Việc tăng tốc độ hàn thường bộc lộ những hạn chế khác trong hệ thống máy nghiền ống. Các vấn đề khác của nhà máy cũng phải được xem xét:

1. Tốc độ chạy tối đa của máy nghiền ống là bao nhiêu?

2. Máy nghiền có thể cung cấp khả năng trình bày cạnh tốt cho hồ quang hàn ở tốc độ di chuyển cao hơn không?

3. Máy cưa bay cho phép tốc độ hàn nào?

4. Các quy trình tiếp theo khác có giới hạn sản lượng tối đa của nhà máy ống không?

Những hạn chế này có thể được điều tra và cải thiện để cho phép tốc độ chạy mới.

Những ý kiến ​​khác

Những thay đổi nhỏ trong vật liệu dải có thể có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hàn. Các tạp chất hoạt động bề mặt như lưu huỳnh, nhôm và oxy làm thay đổi độ dốc sức căng bề mặt trong vũng hàn nóng chảy, do đó thay đổi dòng chất lỏng và mô hình vùng nhiệt hạch. Các nhà sản xuất ống nên nhận ra tầm quan trọng của dung sai đặc điểm vật liệu.

Khi cài đặt, các thông số hàn tối ưu được phát triển trong thời gian cài đặt có sẵn. Người dùng cuối nên điều tra tác động của những thay đổi nhỏ đối với từng tham số mối hàn — chẳng hạn như tham số xung của mối hàn, khe hở hồ quang, hướng mỏ hàn, phạm vi điều khiển hồ quang từ, vật liệu điện cực, (các) góc mài và lớp hoàn thiện, và hỗn hợp khí bảo vệ được chọn — đến đầu ra hệ thống tổng thể.

Yếu tố hệ thống

Thiết kế hệ thống phải được điều chỉnh theo nhu cầu cụ thể và ngân sách của người dùng cuối.

Trạm hàn được thiết kế chính xác có thể mang lại nhiều lợi ích và do đó có thể rất quan trọng đối với hoạt động của hệ thống. Thiết kế trạm hàn phải xem xét các chức năng sau:

1. Kết quả mối hàn có thể tái tạo tại điểm hàn

2. Tiêu âm

3. Điều chỉnh vị trí mỏ hàn

4. Điều khiển hồ quang từ

5. Bảo vệ hồ quang tia cực tím

6. Xem đường hàn

Cũng phải cân nhắc đến việc điều chỉnh cơ học và bảo trì mỏ hàn. Khí bảo vệ và kiểm soát khí thải có những cân nhắc riêng. Ống thường mang một lớp oxy trong khí quyển về phía vùng hàn, lớp này phải được dịch chuyển trước khi hồ quang hàn chạm vào vật liệu.

Sự kết luận

Công nghệ hiện đại đã cách mạng hóa nhiều hoạt động sản xuất. Trong thị trường toàn cầu hiện nay, các nhà sản xuất đang tìm cách tăng sản lượng, tính nhất quán và chất lượng.

Đối với một công ty để tăng thị phần của mình trên thị trường, hoặc thậm chí để duy trì tính cạnh tranh, nó phải tìm ra các phương pháp sản xuất hiệu quả hơn và tốt hơn. Sẵn sàng thử nghiệm xem giới hạn của công nghệ mới thực sự nằm ở đâu có thể tạo ra sản phẩm ngày càng tốt hơn với chi phí tiết kiệm.

Thông tin liên hệ tư vấn

Để biết thêm thông tin chi tiết và có giá tốt nhất, vui lòng liên hệ chúng tôi:

CÔNG TY CỔ PHẦN DIMEC

Hotline: 0966.92.0404

Email: info@dimec.vn

Website: dimec.vn

Trụ sở chính: Số 285 Phúc Lợi, P. Phúc Lợi, Q. Long Biên, TP. Hà Nội

CN Đà Nẵng: Lô 11, Khu A4, đường Nguyễn Sinh Sắc, P. Hòa Minh, Q. Liên Chiểu, TP. Đà Nẵng

CN Hồ Chí Minh: Số 84 đường 10, KĐT Vạn Phúc, P. Hiệp Bình Phước, TP. Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh