Индукционно-нагревательное устройство

 

Изобретение относится к сварке давлением, в частности к устройствам индукционного нагрева токами повышенной частоты /2400-8000 Гц/ под безгратовую стыковую сварку изделий с развитым сечением, например труб из перлитных сталей в поверхностях нагрева котельных энергоустановок. Цель изобретения - повышение качества и расширение технологических возможностей за счет сварки гнутых элементов труб.X/2-например змеевиков труб поверхностей нагрева котлоагрегатов из легированных сталей. Устройство содержит понижающий трансформатор, индуктирующий провод, токоподводящие шины, пневмопривод. Кроме того, оно снабжено электроприводом дл!Я вывода индуктирующего провода из зазора между соединяемыми деталями. Токосъемники выполнены в виде шпильки 58 и установленных на ней изоляционной 26 и токопроводящей 20 шайб, изоляционной втулки 21, упругого элемента 22 с ограничителем 23 расширения, гайки 24 и контрагайки 62. На конце шпильки 58 установлен полый корпус 59 охлаждающей системы с отверстиями для входа 60 и выхода охлаждающей жидкости. Изобретение позволяет обеспечить устойчивое положение нагревательного элемента в зазоре между свариваемыми деталями, надежный и долговечный скользящий контакт во вторичном контуре за счет перемещения токосъемника с графитовыми шайбами. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.(ЛGИзобретение относится к сварке давлением, в частности к устройствам индукционного нагрева токами повышенной частоты (2400, 8000 Гц) под безгратовую стыковую сварку изделий с развитым сечением, например труб из перлитных сталей в поверхностях нагрева котельных энергоустановок.Цель и'зобретения - повышение качества Нагрева и расширение технологических возможностей за счет сварки гнутых эле-^ ментов труб, например змеевиков труб по^ верхностей нагрева котлоагрегатов м' легированных сталей.''На фиг.^ приведено индукционно-нагревательное устройство, общий вид; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - сечение Б-Б на фиг.1: на фиг.4 - Т-образная втулка токосъемника; на фиг.5 - сечение В-В на фиг.1.Устройство состоит из источника тока (силового трансформатора) 1, нагревательного элемента 2, токоподвода 3, электромагнитного привода 4, электропневматического привода 5, устройства 6 водяного охлаждения и направляющего узла 7._Соединение токоподвода 3 со вторичной цепью серийного трансформатора 1, со-VJюОю>&

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК, (51)5 В 23 К 13/00

1 (21) 4740396/27 (22) 25.09.90 (46) 15.02.92. Бюл. М g (71) Научно-производственное объединение по технологии машиностроения "ЦНИИТ-, МАШ" (72) В.И.Григорьев (53) 621.791.77(088.8) (56) Патент США М 4714808, г кл. В 23 K 13/00, 1987. (54) ИНДУКЦИОННО-НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ

УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к сварке давлением, в частности к устройствам индукционного нагрева токами повышенной частоты

/2400-8000 Гц/ под безгратовую стыковую сварку изделий с развитым сечением, например труб из перлитных сталей в поверхностях нагрева котельных энергоустановок.

Цель изобретения — повышение качества и расширение технологических возможностей за счет сварки гнутых элементов труб, !

Изобретение относится к еварке давлением, в частности к устройствам индукционного нагрева токами повышенной частоты (2400, 8000 Гц) под безгратовую стыковую сварку изделий с развитым сечением, например труб из перлитных сталей в поверх-ностях нагрева котельных энергоустановок.

Цель изобретения — повышение качества нагрева и расширение технологических возможностей эа счет сварки гнутых эле- ментов труб, например змеевиков труб поверхностей нагрева котлоагрегатов из легированных сталей.,, SU „„1712102 А1 например змеевиков труб поверхностей нагрева котлоагрегатов из легированных сталей. Устройство содержит понижающий трансформатор, индуктирующий провод, токоподводящие-шины, пневмопривод. Кроме того, оно снабжено электроприводом для вывода индуктирующего провода из зазора между соединяемыми деталями. Токосъемники выполнены в виде шпильки 58 и установленных на ней изоляционной 26 и токопроводящей 20 шайб, изоляционной втулки 21, упругого элемента 22 с ограничителем 23 расширения, гайки 24 и контрагайки 62. На конце шпильки 58 установлен полый корпус 59 охлаждающей системы с отверстиями для входа 60 и выхода охлаждающей жидкости. Изобретение позволяет обеспечить устойчивое положение нагревательного элемента в зазоре между свариваемыми деталями, надежный и долговечный скользящий контакт во вторичном контуре за счет перемещения токосъемника с графитовыми шайбами. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

На фиг.1 приведено индукционно-нагревательное устройство, общий вид; на фиг.2 — сечение А-А на фиг.1; на фиг.3— сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 — Т-образная втулка токосъемника; на фиг.5 — сечение В-В на фиг.1.

Устройство состоит из источника тока (силового трансформатора) 1, нагревательного элемента 2, токоподвода 3, электромагнитного привода 4, электропневматического привода 5, устройства 6 водяного охлаждения и направляющего узла 7.

Соединение токоподвода 3. со вторичной цепью серийного трансформатора 1, со1712102 ек ионные катушки 8, ном сухаре 36, например, из гетинакса, задержащего четыре секционные катушки и сет ансфо мато а 1. (фиг.3) выполнено следующим образом. На крепленном на корпусе трансформатора выходах одного плюса катушек у Токоподвод 3 связан с электромагнитлены четыре шпильки 10 с изоляционными ным приводом 4 с помощью серьги 37, соешайбами 11, например, из текстолита, а на 5. диненной с токоподводом посредством выходах второго плюса — четыр

12- етыре шпильки изолированного шарнира 38. Электромаг1 с г а итовыми шаи ами б 14. В шинах нитный привод включает два электромагни15,16токоподводаЗ,изолированныхдругот та 39,40, к р у

39 40 ко и сы которых соединены друга прокладкои и

17 з изоляционного ма- основаниями друг с другом. При этом сертериала, например, гетинакса, выполн инакса выполнены 10 дечник41 электромагнита 39 связан посред7 а се ечник четыре сквозные продольные и

ые п одольные прорези "C" ством шпильки 42 с серьгой 3, а сердечник — с ша ни ом 44 де(фиг.1), в каждой из которых размещены по 43 электромагнита 40 — с шарниром дедве разнополярные шпильки и

10и13каждой мпферного устройства 45, установленного катушки 8. Шпильки 10,13 изолированы от на общем с трансформатором 1 основании шин 15,16 токоподвода с помощь, 6 3 с помощью изоля- 15 46, Электромагнитный привод 4 выполнен с ционных втулок из фторопласт .

18 фторопласта. возможностью ограничения хода сердечниНа концах шпилек с из ля к 10 с изоляционными ка 41 за счет установки двух симметрично шайбами установлены-т б 11 ены-токосъемники 19, расположенных относительно электромагещенных.на этих нита 39 П-образных тяг 47 на общем acío4 . шпильках графитовых шайб 20, контактиру- 20 вании 48 электромагнитов 39, О. ,ющих с шиной токоподвод Токоподвод 3 связан также с электростороны и с опорной поверхностью остью Т-образ- пневматическим приводом 5, выполненным ной в сечении втулки с друг

21 ру ой стороны с возможностью только подъема токоподвопричем у последней выполнены и е ы продоль- да и связанных с ним элементов электромагные прорези и на нее н насажен упругий эле- 25 нитного привода 4, с помощью коромысла го на ша н ной опо е 50 мент 22, размещенный в полом цилиндре 49, установленного на шарнирной опоре

Т- б азной втулке 21, на основании 46. Одним концом U-образной и гайки 24 с глухой внутренней полостью со формы оно контактирует с концами шпильки 42, связанной через серьгу 37 с токоподстороны втулки. а концах шпилек 13 с графитовыми 30 водом 3, а другим концом оно связано шаи ами у б 14 становлены крепежные узлы шарнирно с цилиндром 51, шток которого

25 (фиг.3), контактирующие с шиной 15 то- через серьгу 52 с гаикой 53 д коподвода 3 через изоляционные шайбы 26 нованием 46 шарниром 5 . и по конструкции своеи ан л е аналогичные уст- Нагревательный элемент 2 имеет магройству токосъемника, в кот

19 в котором Т-об- 35 нитопровод 55, установленный у его выворазная втулка может н

21 может не иметь дов "д", "е", которые на концах снабжены продольных прорезеи, а уп ей а упругий элемент 22 входным 56 и выходным 57 штуцерами. с полым цилиндром может

23 ет быть заменен Устройство водяного охлаждения 6 выи ружи ной. полнено следующим образом. Шпильки 10 с

Нагревательный элемент 2 соединен с 40 изоляционными шайбами 11 имеют внуттокоподводом следу щ

3 едующим образом. Выво- ренний несквозной канал, в которем разме" ", " " (ф .5) ревательного элемен- щена трубка 58, установленная в корпусе 59 та 2 размещены в прорези "ж" токоподвода и связанная каналом с входным штуцером

3 и изолированы друг от друга прокладкой 60. Выходной штуцер 61 связан каналом с

27 и от токоподвода с помощью прокладок 45 внутренней полостью шпильки 10. Корпус

28,29, П " "с обеих сторон токопод- 59 с контргайкой 62 установлен на конце . Шины

" вода3перекрыта планками30,,31. Планка30 шпильки 10 и имеет уплотнение 63. ины контактирует только с шиной 16 и выводом 15,16 токоподвода 3 имеют разветвленную элемента 2 от вывода сеть каналов водяного охлаждения с вход"д" она изолирована прокладкой 28. Планка 50 ным 64 и выходным 65 штуцерами на каж31 соответственно контактирует только с дой шине, Подлежащие сварке гнутые элементы изолирована прокладкой 29, например, из труб поверхностей нагрева котельных агрестеклотекстолита. Планки 30,31 крепят к гатов типа змеевиков, предварительно очишинам 15, 16 с помощью болтов 32, изоли- 55 щенные от ржавчины, окислов и других рованных от шин с помощью изоляционных загрязнений в местах сварки, центруют отшайб 33 и втулок 34 и эксцентриковых гаек носительно друг друга и устанавливают с

35 с V-образной выступающей наружной по- зазором между их торцами. С включением верхностью, установленных в ответных про- электропневматического привода 5 кородольных пазах, выполненных в изоляцион- мысло49, вращаясь на шарнирной опоре50

1712102

35 в V-образных пазах изоляционного суха- 15 ря 36; образующих дополнительные направляющие. Свобода перемещения токопод-,, 30

40 шпилькой 42 после того как она упрется-45 концами в полки П-образных тяг 47 подни50

55 под воздействием пневматического цилиндра 51, свободным концом U-образной формы упирается снизу в концы шпильки 42, поднимает через связанную с ней серьгу 37 токоподвод 3 и вводит соединенный с ним жестко нагревательный элемент 2 в зазор между торцами стыкуемых труб соосно им и на равном расстоянии от их торцов.

Токоподвод 3 при подъеме скользит в своих продольных прорезях Г", играющих роль направляющих, по шпильками 10,13 трансформатора 1 между изоляционными

11,26 и графитовыми 14,20 парами разноименных шайб и эксцентриковыми гайками вода 3 достигается за счет применения в токосъемниках 19 и крепежных узлах 25 упругих элементов 22, а также изоляционных

11,26 и графитовых 14,20 пар шайб.

Благодаря такой жесткой фиксации токоподвода 3 по его концам обеспечивают точную установку нагревательного элемента 2 относительно стыкуемых торцов труб.

Регулировку его положения относительно оси труб обеспечивают следующим образом. В горизонтальной плоскости перпендикулярно оси труб ее осуществляют эксцентриковыми гайками 35 с V-образной выступающей наружной поверхностью, предотвращающей смещение нагревательного элемента 2 вдоль оси труб. В вертикальной плоскости соосно с нагревательным элементом 2 с трубами регулировку обеспечивают регулированием хода токоподвода 3 вверх с помощью винтовой пары шток цилиндра 51 — серьга 52 электропневматического привода 5.

С подъемом токоподвода 3 связанная с ним серьга 37 сначала выдвигает установленной в ней шпилькой 42 сердечник 41 электромагнита 39 на половину требуемого рабочего хода токоподвода, а затем той же мают связанные с ними общим основаниеМ

48 корпусы электромагнитов 39,40 на оставшуюся вторую половину рабочего хода токо подвода 3. Сердечник 43 электромагнита

40, связанный с основанием 46 через демпферное устройство 45 и шарнир 44, остается при этом на месте. Таким соединением электромагнитов достигают требуемый рабочий ход связанного с ними токоподвода 3, превышающий номинальный ход одного электромагнита практически вдвое. При этом электромагнитная система .приводз 4 как бы "взводится", готовая к последующему включению в нужный момент временИ.

После подъема токоподвода 3 электропневматический привод 5 отключают, коромысло 49 под воздействием пневмоцилиндра 51 возвращается в исходное положение, освобождая свободным концом U-образной формы шпильку 42. Токоподвод 3 с "взведенной" электромагнитной системой привода 4 остается в поднятом положении, удерживаясь от опускания в таком состоянии за счет сил трения, определяемых степенью сжатия упругих элементов 22 в: токосъемниках 19 и крепежных узлах 25 гайками 24. Отключение электропневматического привода 5 может производиться в любой другой момейт времени, но несколько раньше времени включения электромагнитного привода 4, чтобы реализовать преимущества последнего по быстродействию, необходимому при выводе нагревательного элемента 2 из зазора между торцами труб после их нагрева.

После этого подают напряжение повышенной частоты 8000 Гц на трансформатор

1. При плотном прижатии гайкой 24Т-образной втулки 21, графитовой шайбы 20, шин

15,16 и изоляционной шайбы 11 к трансформатору 1 через упругий элемент 22 последний сжимается и при ограничении течения его наружу полым цилиндром 23 происходит плотное прижатие лепестков Т-образ.ной втулки 21 к наружной поверхности шпильки 10. В результате этого вторичный ток трансформатора 1 с выводом 9 его катушек 8, изолированных от шины 16 изоляционными шайбами 11, через шпильки 10, изолированные в свою очередь от шин изоляционными втулками 18, снимают Т-образными втулками 21 и передают через графитовые шайбы 20 на шину 15. С шины

15 ток поступает через планку 31 на вывод

"д" нагревательного элемента 2, пройдя через который ток с вывода "е" идет на планку

30, а с нее на шину 16, с которой ток через графитовые шайбы 14, прижатые к трансформатору 1 крепежными узлами 25, поступает непосредственно, минуя шпильки 13, на выходы 12 катушек 8 трансформатора 1.

С прохождением тока по нагревательному элементу 2 происходит индукционный нагрев торцов труб. По достижении на них заданных температуры и градиента температурного поля включают электромагнитный привод 4. Сердечники 41,43 электромагнитов 39,40, втягиваясь навстречу друг другу, резко опускают токоподвод 3 через серьгу 37, В нижнем положении он тормозится демпферным устройством 45. С токоподводом 3 вниз уходит нагревательный элемент 2, после чего трубы ускоренно сближают и осаживают с получением свар/

1712102 ного соединения с заданными свойствами и проходным отверстием, не требующего последующей механической обработки. Сварку труб производят в защитной среде, С осадкой включают трансформатор 1. В связи с тем, что электропневматический привод 5 отключают. заранее, время вывода нагревательного элемента 2 из зазора между свариваемыми торцами труб определя,ется только быстродействием электромагнитного йривода 4.

Применение графитовых шайб 14,20 обеспечивает создание долговечного скользящего электрического контакта между медными Т-образными втулками 21 и медной шиной 15 токоподвода 3 и медной шиной 16 и алюминиевыми катушками 8 трансформатора 1. Благодаря им исключаются искрообразование и подгорание в местах контактирования при больших токах, а также отпадает необходимость в применении каких-либо токоподводящих смазочных материалов, например графитовой смазки, П редлагаемое индукционно-нагревательное устройство реализовали на стыкосварочной машине, его опробовали на холостом ходу в режиме многоциклового включения и при нагреве под сварку труб поверхностей нагрева большого сечения.

Параметры режима сварки труб 42 6 мм из малоуглеродистой и низколегированной сталей были следующими.

Напряжение питания силового трансформатора U = 320 В; частота тока f = 8000

Гц; ток генератора I = 80 — 95 А, мощность W

= 22 — 29 кВт; коэффициент мощности cos

0,98; время нагрева т = 14,33 — 15,07 с; зазор между нагревательным элементом и торцами стыкуемых труб b =1,2 мм; толщина нагревательного элемента д = 9 мм; наружный и внутренний диаметры нагревательного элемента соответственно DH = 64 мм; бвн

= 27 мм; время вывода нагревательного элемента из зазора t> = 0,08 с; время закрытия зазора между торцами труб c2 = 0,1 с; величина осадки ho = 3,15 мм; удельное давление осадки Poc = 50 МПа, ход тойоподвода с нагревательным элементом h =57 мм; зазор между трубой и нагревательным элементом в нижнем положении (при осадке) 4 мм; защитный газ — чистый азот с добавкой метана в соотношении 3:2 в конце нагрева, Во время многоцикловых испытаний на холостом ходу и во время нагрева под сварку регистрировали максимальные отклонения нагревательного элемента относительно нейтрального его положения (среднестатистического) вдоль оси стыкуемых труб и в плоскости, перпендйкулярной этой оси, так как они определяют степень равномерности нагрева труб по периметру. Эти отклонения. соответственно составляли +

0,03 мм и + 0,05 мм.

5 Получаемые стыки труб удовлетворяли всем требованиям качества, предъявляемым действующими стандартами к аналогичным стыковым сварным соединениям.

Проходное отверстие получаемых без10 гратовых соединений превышало требуемое максимально достигаемое при других способах сварки и составляло 0,9 внутреннего диаметра труб.

Изобретение обеспечивает более устой15 чивое положения в зазоре за счет перемещения жестких несоставных. токоподводящих шин с раздельными регулируемым водяным охлаждением в двух расположенных по их концам направляющих узлах. относи20 тельно источника тока, что позволяет.получать равномерный нагрев стыкуемых торцов и высокое качество сварного соединения, обеспечить надежный, долговечный и стабильный скользящий контакт во вто25 ричном контуре за счет применения токосъемника с графитовыми шайбами на сопрягаемых токоподводящих поверхностях, осуществить быстродействие вывода нагревательного элемента из зазора между

30 нагретыми торцами стыкуемых трубных эле- ментов за счет электромагнитного привода, обеспечивающего требуемый большой ход нагревательного элемента путем конструктивно последовательного соединения элек35 тромагнитов с меньшим номинальным ходом. В результате этого расширяются технологические возможности при сварке труб поверхностей нагрева из легированных сталей, улучшаются электрические параметры

40 вторичного контура за счет компактности. токоподвода и близкого расположения относительно трансформатора, обеспечиваются регулировка положения в зазоре и оперативная взаимозаменяемость нагрева45 тельного элемента при ремонте, наладке и прочих видах работ за счет установки его на токоподводе с помощью. регулируемых крепежных узлов.

Формула изобретения

50 1, Индукционно-нагревательное устройство для стыковой сварки, содержащее понижающий трансформатор, индуктирующий провод с двумя симметричными выводами, изолированные друг от друга

55 прокладкой токоподводящие шины, соединенные каждая одним концом жестко с выводами индуктирующего провода, а другим с одной из выводных плит вторичной обмотки трансформатора, и пневмопривод, со. единенный с шинами, для ввода индуктиру10

1712102 ающей жидкости, в токоподводящих шиах и прокладке выполнено по меньшей мее по одной прорези соосно друг с другом, ины шпильками токосъемников закреплеы на выводных плитах вторичной. обмотки рансформатора, при этом токоподводящая айба одного токосъемника установлена ежду одной из выводных плит и токопододящей шиной, а второго токосъемника— ежду другой токоподводящей шиной - и ланцем его разрезной втулки.

2, Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е е- . я тем, что, с целью улучшения технологичости, в токоподводящих шинах выполненыазы, в которых установлены концы индукирующего провода, причем каждый устаовлен с воэможностью электрического онтакта с лицевой поверхностью только одой токопроводящей шины и электроизолиовано от другой токопроводящей шины, лектроизоляция выполнена в виде планок з электроизоляционного материала, котоые снабжены крепежными узлами, обеспеивающими электрический контакт и становленн ыми симметрично относительо индуктирующего провода.

3, Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ е с я тем, что крепежный узел выполнен в иде болта и плоской гайки, электроизоли-, ованных от токоподводящих шин, образущая поверхность гайки выполнена в виде вух сомкнутых основаниями усеченных коусов, и снабжен сухарем с двумя продольыми пазами, установленным на рансформаторе, а гайки укреплены образущими поверхностями в продольных пазах ухарей, 4. Устройство по.п.1, о т л и ч а ю щ е е я тем, что токопроводящие шайбы выполены из графита, 45

55 ющего провода в зазор между соединяемы- д ми деталями, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, н с целью повышения качества нагрева и рас- . р ширения технологических возможностей ш при сварке гнутых элементов труб, напри- 5 н мер змеевиков труб поверхностей нагрева т котлоагрегатов из легированных сталей, ус- ш тройство снабжено электроприводом, сое- м диненным с шинами, для вывода, в индуктирующего провода из зазора между 10 м соединяемыми деталями, по меньшей мере ф двумя токосъемниками, каждый из токосъемников выполнен в виде шпильки, раэ- с мещенных на ней изоляционной и н токопроводящей шайб, изоляционной втул- 15 и ки, установленной между шайбами втулки с т фланцем, выполненный с продольными про- н резями на цилиндрической поверхности и к установленной с возможностью контакти - н рования с одной из шайб, упругого элемен- 20 р та с ограничителем расширения в виде э втулки„установленного на цилиндрической и части втулки с фланцем, гайки с выточкой на р торце, установленной на шпильке с возмож- ч ностью контактирования с упругим элемен- 25 у том кольцевой поверхностью торца, н образованного выточкой, контргайки, установленной на шпильке с возможностью кон.- е тактирования с гайкой, кроме того, в токосъемник снабжен трубкой, полым,кор- 30 р пусом системы охлаждения, установленным ю на конце шпильки и выполненным с двумя д отверстиями для подачи и слива охлаждаю- н щей жидкости, при этом в шпильке со сто- н роны конца с закрепленным полый 35 т корпусом выполнено глухое отверстие, сое- ю диненное с отверстием полого корпуса для с слива охлаждающей жидкости, в отверстии шпильки установлена трубка, соединенная с с отверстием полого корпуса подачи охлаж- 40 н

1712102

Яб

1712102 с /.

+ -Г

З2 28

27

Фиг.5

Заказ 495 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель В.Зотин

Редактор Н.Федорова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Л

31

39.

17

16

ЗО