Индукционно-нагревательное устройство

(56) Патекл. В 23 396/279.902.92. Бюно-проиологии единение "ЦНИИТ-,одственное о шиностроен Григорьев791.77(088.8)нт США М 471480К 13/00, 1987. Изобретение нием, в частности ного нагрева ток (2400, 8000 Гц) и сварку изделий с пример труб из пе ностях нагрева ко Цель изобретениява нагрева и расширевозможностей эа счетментов труб, напримерверхностей нагревалегированных сталей. повышение качест ие технологических сварки гнутых эле- змеевиков труб покотлоагрегатов изФ(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,относится к еварке давлек устройствам индукционми повышенной частоты д безгратовую стыковую развитым сечением, нарлитных сталей в поверх- тельных энергоустановок,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 Б обеспечить устойчивое положение нагрева- у тельного 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 вто ной цепью серийного трансформатора 1ек ионные катушки 8, ном сухаре 36, например, из гетинакса, задержащего четыре секционные катушкии сет ансфо мато а 1.(фиг.З) выполнено следующим образом. На крепленном на корпусе трансформаторавыходах 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 посредствомвыходах второго плюса - четыр12- етыре шпильки изолированного шарнира 38. Электромаг 1 с г а итовыми шаи амиб 14. В шинах нитный привод включает два электромагни 15,16 токоподводаЗ,изолированныхдругот та 39,40, к р у39 40 ко и сы которых соединеныдруга прокладкои и17 з изоляционного ма- основаниями друг с другом. При этом сертериала, например, гетинакса, выполнинакса выполнены 10 дечник 41 электромагнита 39 связан посред 7 а се ечникчетыре сквозные продольные иые п одольные прорези Т" 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 и10 и 13 каждой мпферного устройства 45, установленногокатушки 8. Шпильки 10,13 изолированы от на общем с трансформатором 1 основаниишин 15,16 токоподвода с помощь, 6 3 с помощью изоля 46, Электромагнитный привод 4 выполнен сционных втулок из фторопласт .18 фторопласта.возможностью ограничения хода сердечниНа концах шпилек с из ляк 10 с изоляционными ка 41 за счет установки двух симметричношайбами установлены тб 11 ены токосъемники 19, расположенных относительно электромагещенных на этих нита 39 П-образных тяг 47 на общем асно 4 .шпильках графитовых шайб 20, контактиру вании 48 электромагнитов 39, О.,ющих с шиной токоподвод Токоподвод 3 связан также с электростороны и с опорной поверхностьюостью Т-образ- пневматическим приводом 5, выполненнымной всечении втулки с друг21 ру ой стороны с возможностью только подъема токоподвопричем у последней выполнены ие ы продоль-да и связанных с ним элементов электромагные прорези и на нее ннасажен упругий эле нитного привода 4, с помощью коромыслаго на ша н ной опо е 50мент 22, размещенный в полом цилиндре 49, установленного на шарнирной опореТ- б азной втулке 21, на основании 46. Одним концом О-образнойи 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 связаношаи ами уб 14 становлены крепежные узлы шарнирно с цилиндром 51, шток которого25 (фиг.З), контактирующие с шиной 15 то- через серьгу 52 с гаикой 53 дкоподвода 3 через изоляционные шайбы 26 нованием 46 шарниром 5 .и по конструкции своеи ан ле аналогичные уст- Нагревательный элемент 2 имеет магройству токосъемника, в кот19 в котором Т-об нитопровод 55, установленный у его выворазная втулка может н21 может не иметь дов "д", "е", которые на концах снабженыпродольных прорезеи, а упей а упругий элемент 22 входным 56 и выходным 57 штуцерами.с полым цилиндром может23 ет быть заменен Устройство водяного охлаждения 6 выи ружиной. полнено следующим образом. Шпильки 10 сНагревательный элемент 2 соединен с 40 изоляционными шайбами 11 имеют внуттокоподводом следу щ3 едующимобразом. Выво- реннийнесквозной канал, вкоторемразме" ", " " (ф .5) ревательного элемен- щена трубка 58, установленная в корпусе 59та 2 размещены в прорези "ж" токоподвода и связанная каналом с входным штуцером3 и изолированы друг от друга прокладкой 60. Выходной штуцер 61 связан каналом с27 и от токоподвода с помощью прокладок 45 внутренней полостью шпильки 10. Корпус28,29, П " "с обеих сторон токопод с контргайкой 62 установлен на конце" вода 3 перекрыта планками 30,31, Планка 30 шпильки 10 и имеет уплотнение 63. иныконтактирует только с шиной 16 и выводом 15,16 токоподвода 3 имеют разветвленнуюэлемента 2 от вывода сеть каналов водяного охлаждения с вход"д" она изолирована прокладкой 28. Планка 50 ным 64 и выходным 65 штуцерами на каж 31 соответственно контактирует только с дой шине,Подлежащие сварке гнутые элементыизолирована 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 щенные от ржавчины, окислов и другихрованных от шин с помощью изоляционных загрязнений в местах сварки, центруют отшайб 33 и втулок 34 и эксцентриковых гаек носительно друг друга и устанавливают с35 с Ч-образной выступающей наружной по- зазором между их торцами, С включениемверхностью, установленных в ответных про- электропневматического привода 5 кородольных пазах,выполненных в изоляцион- мысло 49, вращаясь на шарнирной опоре 5010 20 25 30 40 50 55 под воздействием пневматического цилиндра 51, свободным концом О-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 прорезяхГ", играющих роль направляющих, по шпильками 10,13 трансформатора 1 между изоляционными 11,26 и графитовыми 14,20 парами разноименных шайб и эксцентриковыми гайками 35 в Ч-образных пазах изоляционногосухаря 36; образующих дополнительные направляющие. Свобода перемещения токоподвода 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 Ч-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 парышток 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 шпилькой 42 после того как она упрется 45концами в полки П-образных тяг 47 поднимают связанные с ними общим основаниеМ 48 корпусы электромагнитов 39,40 на оставшуюся вторую половину рабочего хода токоподвода 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, Приэтом электромагнитная система приводз 4как бы "взводится", готовая к последующему включению в нужный момент временИ,После подъема токоподвода 3 электро- пневматический привод 5 отключают, коромысло 49 под воздействием пневмоцилиндра 51 возвращается в исходное положение, освобождая свободным концом О-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 24 Т-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/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 426 мм из малоуглеродистой и низколегированной сталей были следующими,Напряжение питания силового трансформатора О = 320 В; частота тока 1 = 8000 Гц; ток генератора= 80 - 95 А, мощность Я = 22 - 29 кВт; коэффициент мощности соз0,98; время нагрева т = 14,33 - 15,07 с; зазор между нагревательным элементом и торцами стыкуемых труб Ь =1,2 мм; толщина нагревательного элемента д = 9 мм; наружный и внутренний диаметры нагревательного элемента соответственно Он = 64 мм; бвн = 27 мм; время вывода нагревательного элемента из зазора 11 = 0,08 с; время закрытия зазора между торцами труб сг = 0,1 с; величина осадки Ьос = 3,15 мм; удельное давление осадки Ро = 50 МПа, ход тойоподвода с нагревательным элементом й =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, перпендикулярной 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 удовлетворяливсем требованиям качества, предъявляемым действующими стандартами к аналогичным стыковым сварным соединениям.Проходное отверстие получаемых без гратовых соединений превышало требуемое максимально достигаемое при других способах сварки и составляло 0,9 внутреннего диаметра труб.Изобретение обеспечивает более устой чивое положения в зазоре за счет перемещения жестких несоставных токоподводящих шин с раздельными регулируемым водяным охлаждением в двух расположенных по их концам направляющих узлах. относи тельно источника тока, что позволяет .получать равномерный нагрев стыкуемых торцов и высокое качество сварного соединения, обеспечить надежный, долговечный и стабильный скользящий контакт во вто 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 элек тромагнитов с меньшим номинальнымходом. В результате этого расширяются технологические возможности при сварке труб поверхностей нагрева из легированных сталей, улучшаются электрические параметры 40 вторичного контура за счет компактноститокоподвода и близкого расположения относительно трансформатора, обеспечиваются регулировка положения в зазоре и оперативная взаимозаменяемость нагрева тельного элемента при ремонте, наладке ипрочих 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. обмоткирансформатора, при этом токоподводящаяайба одного токосъемника установленаежду одной из выводных плит и токопододящей шиной, а второго токосъемника -ежду другой токоподводящей шиной иланцем его разрезной втулки.2, Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е ея тем, что, с целью улучшения технологичости, в токоподводящих шинах выполненыазы, в которых установлены концы индукирующего провода, причем каждый устаовлен с воэможностью электрическогоонтакта с лицевой поверхностью только одой токопроводящей шины и электроизолиовано от другой токопроводящей шины,лектроизоляция выполнена в виде планокз электроизоляционного материала, котоые снабжены крепежными узлами, обеспеивающими электрический контакт истановленными симметрично относительо индуктирующего провода.3, Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ю ще с я тем, что крепежный узел выполнен виде болта и плоской гайки, электроизоли-,ованных от токоподводящих шин, образущая поверхность гайки выполнена в видевух сомкнутых основаниями усеченных коусов, и снабжен сухарем с двумя продольыми пазами, установленным нарансформаторе, а гайки укреплены образущими поверхностями в продольных пазахухарей,4. Устройство по.п,1, о т л и ч а ю щ е ея тем, что токопроводящие шайбы выполены из графита,50 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 ирас- . р ширения технологических возможностей ш при сварке гнутых элементов труб, напри 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 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 р та с ограничителем расширения в виде э втулкиустановленного на цилиндрической и части втулки с фланцем, гайки с выточкой на р торце, установленной на шпильке с возмож- ч ностью контактирования с упругим элемен у том кольцевой поверхностью торца, н образованного выточкой, контргайки, уста- новленной на шпильке с возможностью кон.- е тактирования с гайкой, кроме того, в токосъемник снабжен трубкой, полым,кор 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 н1712102 ч оставитель В.Зоти ехред М,Моргентап Н.Р ОРРВкт орова едактор Заказ 495 при ГКНТ СС ПИ Государ РОКЗВОДСтВ а,1 Ужгород, уп.Гага мбинат "Патент здательски Тираж Подписное венного комитета по изобретениям и открыт 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5