Обзор исследований влияния параметров профилирования листовых заготовок и последующей высокочастотной индукционной сварки на геометрию, структуру и свойства сварного шва

Высокочастотная индукционная сварка – наиболее распространенный процесс сварки, широко используемый в различных отраслях промышленности (автомобильная промышленность, энергетическая промышленность, производство компонентов бытовой техники, металлообработка, строительная промышленность), так как имеет высокую производительность и обеспечивает высокое качество сварного шва [1, 2].

Высокочастотная сварка применяется в производстве прямо- и спиральношовных труб из черных и цветных металлов, оболочек электрических кабелей, в приварке ребер, изготовлении профилей [3], конусных заготовок для различных применений, цилиндрических деталей, компонентов кузова и элементов автомобиля [2], корпусов и деталей для бытовой техники. Последней технологической тенденцией является применении высокочастотной сварки при изготовлении труб больших диаметров до 660 мм и толщины стенок до 25 мм [4].

Свариваемыми материалами являются: углеродистые стали, нержавеющие стали, легированные стали, алюминий и его сплавы, медь и медные сплавы, титан и золото [4].

Наиболее широкое распространение высокочастотная индукционная сварка получила в профилировании и изготовлении труб и профилей [2,5]. В этом случае технологический процесс включает изменение формы листовой заготовки в роликах, далее прохождение заготовки через индукционную катушку и нагрев заготовки, затем смыкание контура прижимными роликами, и сваривание. При этом электрическое напряжение индуцируется на краю кромок заготовки непосредственно перед смыканием контура в узком зазоре прижимных роликов. Это напряжение заставляет ток, индуцированный вдоль кромок, течь к точке соединения кромок, что приводит к быстрому нагреву и расплавлению металла. Сила, создаваемая прижимными роликами, заставляет расплавленный металл соединяться с обеих сторон, формируя сварной шов. Сжимающая сила выталкивает излишки расплавленного металла, содержащие в т.ч. примеси, из сварного шва, что приводит к образованию структуры шва, схожей с микроструктурой, получаемой в результате прокатки, а не с типичной структурой, возникающей в большинстве свароч ных процессов [4].

Преимуществами высокочастотной индукционной сварки являются: высокая скорость сварки, высокая энергоэффективность процесса, слабое термическое воздействие на прилегающие к сварному шву участки заготовки (снижается риск термического повреждения и коробления). Последнее обеспечивается точностью подвода тепла в требуемую область изделия как по толщине, так и по длине [5] и малым временем нагрева, что позволяет получить локальное плавление материала до того, как тепло из области нагрева распространится по всему объему материала [4].

Недостатками высокочастотной индукционной сварки являются: ограничение толщины свариваемой заготовки, высокая стоимость оборудования, тщательная подготовка кромок заготовки, включая их очистку и выравнивание. Не все материалы подходят для индукционной сварки и для некоторых требуется дополнительная предварительная обработка. Кроме того, сварной шов, полученный посредством высокочастотной индукционной сварки, имеет относительно низкую вязкость [6].

Для обеспечения прочности и долговечности соединения, полученного посредством высокочастотной индукционной сварки, важное значение, имеют структура и свойства сварного шва. На качество сварного шва влияют следующие параметры: геометрия кромки заготовки, частота тока при сварке, сила прижимного ролика, мощность сварки, химический состав сплава, теплопроводность материала заготовки, длина и угол V-образного зазора, скорость сварки, форма индуктора, расстояния от индуктора до точки сварки, температура сварки [1, 4-10].

Если при высокочастотной индукционной сварке используются неоптимальные параметры образуются два основных дефекта. Дефект «холодного» шва и проникающие дефекты [11]. «Холодный» шов – это дефект, возникающий при низком тепловом воздействии, когда скорость смыкания V-образного зазора превышает скорость плавления, т.е. сварочная точка формируется близко к точке смыкания. Проникающий дефект образуется при высокой температуре, когда подвод тепла больше оптимального.

В связи с этим большое количество исследований направленно на изучение изменения свойств и структуры листовых заготовок при формообразовании гибкой и последующей индукционной сварке.

Исследования влияния параметров формообразования и сварки на распределение температуры и геометрию сварного шва описаны в публикациях: M. Ghaffarpour и др. [7], A. Bardelcik и др. [1], Z. Techmanski [8], J.I. Asperheim и др. [12], L. Xiaodong и др. [13], W. Ebel и др. [14], C. Egger и др. [15], C. Kang и др. [6]. Исследования влияния параметров формообразования и сварки на структуру и свойства сварного шва описаны в публикациях: M. Ghaffarpour и др. [7], A. Bardelcik и др. [1], M. Sabzi и др. [9], K. Davis и др. [10], Н.В. Джалалзаде и др. [5], Z. Techmanski [4, 8], C. Egger и др. [15, 16], технический обзор NASA [17]. Исследования оптимальных режимов формообразования и высокочастотной индукционной сварки описаны в публикациях: S.W. Cheng и H. Zhang [2], А.Ю. Саламатова [18], M. Sabzi и др. [9], Z. Techmanski [8].

Долгое время процесс высокочастотной индукционной сварки изучался на основе аналитических выражений: посредством расчёта распределения тока внутри трубы [19, 20]. С развитием компьютерных технологий аналитические методы были заменены методом конечных элементов (моделирование тепловых, электромагнитных процессов, упругопластического деформирования металлов) посредством программных продуктов таких как Ansys [13, 16], Comsol Multiphysics [7, 5, 10], MSC Marc/Mentat [15]. Одними из первых кто выполнил численное моделирование процесса профилирования труб являются: M. Masuda и др. [21], C. Wen и R.J. Pick [22], M. Kiuchi и др. [23] и M. Salmani Tehrani и др. [24]. В последние годы в исследовании процесса начинают применять машинное обучение и компьютерное зрение для прогнозирования параметров процесса на основе анализа имеющихся данных [2] и автоматического мониторинга качества сварных швов соответственно.

Данная статья посвящена обзору и систематизации исследований применения процесса высокочастотной индукционной сварки при профилировании.

ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И СВАРКИ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ГЕОМЕТРИЮ СВАРНОГО ШВА

В [8] исследовано влияние сил прижатия кромок и положения индуктора относительно точки сварки при производстве труб диаметром 323,9 мм и толщиной стенки 5,6 мм из стали P235GH. Сила сжатия задавалась через расстояние между прижимными роликами 1,85 мм и 2,35 мм соответственно. При этом индуктор находился на расстоянии 50 мм и 20 мм от точки сварки.

Установлено, что температура в точке сварки повышалась на 54oС за счёт более сильного сжатия кромок, что приводило к снижению расхода электроэнергии. Тот же эффект дало уменьшение расстояния индуктора относительно точки сварки. За счёт оптимизации силы сжатия и положения индуктора удалось снизить потребление энергии примерно на 5,5%. При этом микроструктурные исследования сварных швов не выявили каких-либо негативных последствий оптимизации.

В [12] предложен новый аналитический подход, который позволяет рассчитывать изменяющуюся скорость подачи заготовки в зависимости от угла схождения кромок заготовки, а также учитывает упругую деформацию. Расчёты показали, что сначала нагреваются углы полосы и по мере приближения к точке сварки формируется характерная форма зоны термического влияния в виде песочных часов, при этом снижение температуры в середине заготовки вызвало разделение токов в двух противоположных направлениях (рисунок 1). При уменьшении толщины заготовки форма зоны термического влияния в виде песочных часов менее выражена.

а

б

Рисунок 1 – Распределение температуры вдоль (а) и по толщине кромки (б) [12]

В [13] выполнен тепловой расчёт в программе Ansys, процесса сварки профиля размером 16х2х2 мм, толщиной 0,3 мм, из трехслойного композитного алюминиевого сплава 7072/3003/4343. Установлено, что при сварке формируется стабильное температурное поле за очень короткое время, а зона термического влияния является очень узкой, при этом температура резко возрастает, а затем незначительно снижается, далее достигая «плато».

В [14] проведено конечно-элементное моделирование высокочастотной индукционной сварки плакированных труб. Моделирование проводилось на комбинации плакирующего материала S355 и сплава 625 с сильно различающимися свойствами. В результате определены оптимальные параметры (частота тока, скорость линии) для высокочастотной индукционной сварки как для одночастотной, так и для двухчастотной сварки.

В [15] разработана трехмерная модель для моделирования методом конечных элементов процесса производства труб, состоящего из профилирования и высокочастотной индукционной сварки. Мультифизическая модель основана на методе двойной сетки. Для движущейся трубы в модели моделируется: электромагнитное поле, температурное поле, упругопластическая деформация и фазовые превращения материала. Моделирование выполнялось посредством программы MSC Marc/ Mentat. Рассчитаны индукционные токи и выделяемое тепло на основе реальных свойств трубы. Экспериментальная проверка показала, что наибольшее отклонение значения температуры составляет менее 100oС. Моделирование позволило с погрешностью менее 0,15 мм прогнозировать геометрию профиля трубы в процессе и после сварки.

В [6] проведена оптимизация параметров процесса высокочастотной индукционной сварки и проанализированы причины возникновения дефектов сварки. Установлено, что под действием скин-эффекта распределение температуры при разных углах схождения в электромагнитном поле при одинаковой частоте тока индуктора имеет форму цилиндра, но чем меньше угол, тем выше эффективность нагрева и тем быстрее поднимается температура. В электромагнитном поле с различными частотами тока более высокая частота тока может ускорить нагрев, однако увеличение толщины стенки может привести к дефектам сварки. Регулируя два параметра угол схождения и частоту тока, было проверено, что результаты численного моделирования соответствуют экспериментальным данным.

В [2] на основе машинного обучения определены рабочие диапазоны высокочастотной сварки алюминиевых труб. В исследовании использовались статистические данные, полученные на производственном предприятии в течение полутора лет с использованием однотипных алюминиевых листов. Для анализа сварные швы были разделены на три типа: «норма» - линия шва четкая, тонкая и однородная; «недогрев» - недостаточный нагрев, плохое соединение или даже соединение отсутствует; «перегрев» - слишком большая подача тепла, большая часть металла уходит в виде шлаков и заусенцев, следы подгорания на поверхности. Контролируемыми параметрами процесса являлись скорость линии и мощность тока. Также учитывались дополнительные факторы: регулировка/за- мена индуктора, положение прижимного ролика, смена рулона, температура, рабочая смена и др. Установлено, что дополнительные факторы оказывают основное влияние, но не взаимодействуют друг с другом и параметрами процесса, а только смещают границы зон «перегрев» - «норма», «норма» - «недогрев» вверх или вниз, но не меняют форму границ.

В [5] проведено моделирование методом конечных элементов в программе Comsol Multiphysics сварки цилиндрических алюминиевых изделий. При этом варьировались параметры геометрии индуктора и их влияния на нагрев области сварки. Проведенные исследования позволили рекомендовать конструкцию и геометрию индуктора, обеспечивающую заданный уровень нагрева.

В [7] исследовано влияние геометрии кромки заготовки. Рассматривались три образца из стального листа марки L 210 с разными видами геометрии кромок (рисунок 2). Посредством конечно-элементного моделирования в программе Comsol, исследовано распределение температуры на кромках при формообразовании и сварке труб диаметром 165,2 мм. Параметры сварки (сила тока, частота тока и скорость движения) принимали постоянными. На основании изотермических диаграмм, установлено, что наилучшие формы кромок В и С (рисунок 3), которые обеспечивают наименьший температурный градиент. Таким образом, за счёт изменения формы кромок можно уменьшить ширину сварного шва, снизить температурный градиент, уменьшить зону термического воздействия.

Рисунок 2 - С хема обработки кром о к образцов:

a = 5 мм, b = 1,5 м м , с = 2 мм, d = 1,75 мм, а = 6°, р = 2 4 °, б = 53°, 0 = 14° и ^ = 10° [7]

Рисунок 3 - Распре д еление температуры в виде изоте р мических л иний в об р азце С: мощнос т ь 123 кВт (а) и 179 кВт (b) [7]

В разделе приведены результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований, посвящённых влиянию геометрии кромки, силы прижатия, положения индуктора и частоты тока на распределение температуры в зоне сварки. Показано, что оптимизация этих параметров позволяет снизить энергозатраты до 5-6%, уменьшить температурный градиент и зону термического влияния, обеспечивая более равномерное формирование сварного шва. Особое внимание уделено верифицированным моделям на основе метода конечных элементов, демонстрирующим высокую точность прогнозирования температурных полей и геометрии шва.

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И СВАРКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СВАРНОГО ШВА

В [7] показано, что изменение геометрии кромки образца при индукционной сварке приводит к уменьшению размеров зёрен в зоне шва и зоне термического влияния. Ширина шва у образцов без подготовки кромки во внутренней части шва больше, чем в наружной части, тогда как у образцов с подготовкой кромки верхняя и нижняя часть шва имеет одинаковую ширину. Полученная зона сварного шва у образов с подготовкой кромки имеет более равномерную ширину в центре, верхней и нижней частей сварного шва.

В [1] исследовано изменение частоты тока на характеристики сварного шва труб из стали TRIP690, микроструктуру и показатели разрушения. Были исследованы 4 частоты 1,0; 1,17; 1,26; 1,35, где 1,0 соответствует частоте 300 кГц. При этом на относительной частоте 1,35 усилие прижимного ролика было увеличено на 14%. Установлено, что распределение твердости по шву для образцов, изготовленных при низкой и средней частоте, мало отличается, в то время как при высокой частоте наблюдается более узкая ширина сварного шва, что определяется зоной постоянной твердости около 325 HV300. Формирование такой зоны вызвано задержкой превращения мартенсита, из-за более низкой температуры сварки. Увеличение ширины сварного шва наблюдалось при более высоком усилии прижимного ролика, что привело к большей аустенизации на кромке листа и повлияло на кинетику фазового превращения. Сделан вывод, что увеличение частоты приводит к более низкой температуре сварки.

В [9] исследовано влияние частоты тока (150, 200 и 250 кГц), силы сжатия (2, 4 и 6 баллов) и угла схождения (3°, 5° и 7°) при высокочастотной сварке на механические свойства сварного шва труб диаметров 16 дюймов из стали API X52. Установлено, что сварка с частотой тока 150 кГц обеспечивает высокие механические свойства (предел прочности, ударная вязкость, жесткость, пластичность, эластичность), сварка с частотой тока 250 кГц – самые низкие свойства. Сила сжатия 4 балла обеспечивает высокие механические свойства, при силе сжатия 6 баллов наблюдается хрупкое разрушение шва и низкие механические свойства. Угол схождения 5°, обеспечивает высокие механические свойства, тогда как угол 7° - низкие механические свойства. Полученные результаты хорошо коррелируют с макроструктурой образцов: так при угле схождения 5° наблюдаются наиболее однородная структура.

В [10] проведён анализ взаимного влияния частоты тока, мощности тока, скорости линии и химического состава стали на качество сварного шва при высокочастотной индукционной сварке. Данные для исследования были получены от 92 предприятий по всему миру и охватили широкий диапазон марок сталей (от HSLA до легированной стали), а области применения включали трубы, в т.ч. холодильные и автомобильные компоненты, профили и т.д.. Диаграмма на рисунке 4 иллюстрирует тенденцию к использованию меньшей мощности при более высоких скоростях линии и более тонких стенках, но по мере увеличения толщины стенок разброс данных значительно увеличивается.

Рисунок 4 - Взаимосвязь параметров высокочастотной индукционной сварки [10]

Установлено, что крупнозернистая зона термического влияния является результатом прямого нагрева токами высокой частоты [10]. При этом ширина крупнозернистой зоны, а также размер термического влияния определяется частотой тока, а не мощностью сварки. Мелкозернистая и двухфазная область зоны термического влияния формируется за счёт отвода тепла от края полосы. Ширина этих областей зависит от длины участка схождения кромок и скорости линии, вне зависимости от частоты и мощности.

В [8] на основании результатов металлографического анализа показано, что при сварке труб из стали P235GH формируется зональная структура, размеры зон которой определяются мощностью тока, усилием сжатия и расстоянием индуктора до точки сварки. Увеличение усилия сжатия увеличивает угол изгиба линии течения металла, что приводит к выдавливанию включений из сварочного шва. Приближение индуктора к точке сварки приводит к уменьшению размеров зоны термического влияния.

В [4] предложена модель расчёта энергии необходимой для сварки труб в диапазоне скоростей от 20 м/мин до 40 м/мин и диаметром от 114,3 мм до 168,3 мм и от 219,1 мм до 323,9 мм из стали P235GH для получения оптимальной микроструктуры и геометрии сварного шва. Модель определяет зависимость коэффициента мощности P/V, где P – мощность [кВт], V – скорость линии [м/мин], от толщины стенки трубы. Отношение P/V увеличивается с увеличением толщины стенки и диаметра трубы (последний оказывает меньшее влияние), увеличение P/V составляет около 2 кВт·мин/м при увеличении толщины стенки на 1 мм [4]. Рассчитанная по модели мощность позволила получить сварной шов без внутренних дефектов, что подтверждено ультразвуковыми исследованиями.

В [15] мультифизическое моделирование процесса сварки и профилирования с учётом фазовых превращений позволило прогнозировать распределение твердости сварного шва. При этом погрешность составляет 40 HV, что объясняется локальными различиями химического состава материала и линиями сегрегации. Однако, используемая модель не позволяет смоделировать снижение твердости сварного шва, вызванное его обезуглероживанием из-за протекания процессов окисления и диффузии при нагреве края полосы.

В [16] моделировалось влияние температуры и контактного нормального напряжения на прочность и структуру сварного шва при высокочастотной сварке плоских образцов из стали 34MnB5. Установлено, что для соединения двух листов 34MnB5 необходима минимальная температура сварки 1320oС и минимальное контактное нормальное напряжение 30 МПа. Коэффициент прочности сварного шва Qws увеличивается с увеличением температуры сварки и контактного нормального напряжения (рисунок 5). При температуре выше 1410oС и контактного нормального напряжения выше 60 МПа коэффициент прочности практически не меняется. Металлографические исследования сварного шва и поверхностей излома после изгиба показали, что коэффициент прочности зависит от количества оксидов в шве: чем больше оксидов, тем меньше коэффициент прочности. При высокочастотной сварке в зоне шва образуется бейнитный феррит трансформирующийся в мартен- ситную структуру во время закалки.

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента прочности сварного шва Q_ws от температуры T и контактного нормального напряжения p_c при высокочастотной сварке стали 34MnB5 [16]

Раздел рассматривает взаимосвязь частоты и мощности тока, усилия сжатия и угла схождения кромок с микроструктурой и механическими свойствами сварного шва. Показано, что изменение этих параметров определяет ширину зоны термического влияния, размеры зерна, фазовый состав и твердость. Выявлены диапазоны частот и усилий, обеспечивающие максимальные показатели прочности и вязкости, а также предотвращающие образование дефектов «холодного» и «проникающего» шва. Приведены данные по верификации моделей распределения твердости и прочности с экспериментальными результатами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённый анализ отечественных и зарубежных исследований показывает, что в процессе профилирования и последующей высокочастотной индукционной сварки формирование свойств сварного шва определяется совокупным действием множества технологических факторов – геометрии кромки, параметров нагрева и сжатия, характеристик материала заготовки и особенностей электромагнитного поля. Ключевое влияние на температурно-временные условия сварки оказывают частота тока, положение индуктора и сила прижатия кромок. Их взаимная настройка позволяет регулировать форму зоны термического влияния, скорость теплопередачи и степень пластической деформации металла в зоне соединения.

Оптимизация параметров формообразования и сварки обеспечивает целенаправленное управление микроструктурой шва. Показано, что изменение геометрии кромки приводит к перераспре- делению плотности тока и, как следствие, к изменению формы зоны плавления и термического влияния. При правильно подобранных углах схождения и усилии прижатия формируется равномерная зона сплавления с мелкозернистой структурой, характеризующейся повышенной прочностью и вязкостью. В то же время чрезмерное усилие или избыточная мощность вызывают перегрев, крупнозернистую структуру и снижение пластических свойств. Следовательно, для обеспечения стабильности свойств сварных профилей необходимо согласованное регулирование электромагнитных и механических параметров процесса.

Анализ микроструктурных данных свидетельствует, что структура сварного шва при индукционной сварке по характеру и размерам зерна приближается к структуре после горячей деформации. В зоне шва и термического влияния наблюдается комплекс фазовых превращений: для сталей – аустенитизация, последующее формирование бейнитно-мартенситной структуры; локальные процессы рекристаллизации и диффузии легирующих элементов. Наиболее благоприятное сочетание прочности и вязкости достигается при минимизации времени пребывания в интервале фазовых превращений и ограничении ширины зоны термического влияния. Это подчёркивает необходимость точного расчёта тепловых циклов с учётом физико-химических свойств материала и режимов деформации.

Сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования подтверждает высокую достоверность численных моделей, описывающих тепловые и электромагнитные процессы при индукционной сварке. Модели, реализованные в средах Comsol Multiphysics, Ansys и MSC Marc/ Mentat, позволяют с погрешностью не более 5-10% прогнозировать температурные поля, распределение плотности тока, геометрию шва и даже изменение твердости по сечению соединения. Однако существующие модели, как правило, рассматривают процесс сварки изолированно, без учёта предшествующего профилирования и изменения структуры материала в процессе деформации. Между тем исследования показывают, что стадия профилирования оказывает определяющее влияние на распределение остаточных напряжений, состояние поверхности и контактную проводимость кромок, что напрямую влияет на стабильность нагрева и качество сварки.

Современные тенденции исследований направлены на развитие мультифизических и интегрированных моделей, связывающих стадии профилирования, индукционного нагрева и охлаждения. Перспективным направлением является внедрение машинного обучения и компьютерного зрения для анализа данных о параметрах процесса и автоматического определения режимов сварки, обеспечивающих минимальные дефекты и требуемые механические свойства. Такие подходы позволяют не только повысить качество изделий, но и существенно увеличить энергоэффективность и производительность линий профилирования.

Таким образом, совокупный анализ показывает, что устойчивое качество изделий при профилировании и высокочастотной индукционной сварке достигается при комплексном учёте: параметров профилирования, в т.ч. скорость линии, усилие прижатия ; электромагнитных характеристик (частота, мощность, форма и расположение индуктора); химического состава и термомеханических свойств материала.

Дальнейшее развитие исследований требует перехода от раздельного изучения отдельных факторов к интеграционным моделям процесса профилирования и сварки, которые позволят количественно оценивать влияние каждого параметра на формирование структуры и свойств шва. Создание таких моделей откроет возможность цифрового проектирования технологических маршрутов для конкретных материалов и профилей, обеспечивая воспроизводимость свойств и минимизацию энергетических и материальных потерь в производстве.