Орбитальная TIG‑сварка тонкостенных труб из нержавейки/титана для «чистых» производств:
как получать повторяемый шов и чем подтверждать качество читать ~8 мин.
Автоматическая орбитальная сварка неплавящимся электродом (TIG) в среде инертных газов стала стандартом для отраслей, где цена ошибки измеряется не стоимостью трубы, а простоями целых производственных линий. Фармацевтика, полупроводниковая промышленность и аэрокосмический сектор предъявляют к трубопроводам требования, которые физически невозможно выполнить вручную с необходимой стабильностью. Человеческий фактор, дрожание руки или усталость глаз здесь недопустимы. Внутренняя поверхность шва должна быть настолько гладкой, чтобы на ней не могли закрепиться колонии бактерий или скопиться коррозионно-активные агенты.
Физика процесса в закрытой камере
Основой технологии для труб малого и среднего диаметра (обычно от 3 до 170 мм) являются закрытые сварочные головки. В отличие от открытых систем, здесь вольфрамовый электрод вращается вокруг неподвижной трубы внутри герметичной камеры, заполненной защитным газом. Это создаёт уникальную микроатмосферу вокруг зоны плавления. Отсутствие кислорода внутри камеры предотвращает окисление шва снаружи, но главная борьба за качество происходит внутри трубы.
Специфика закрытых головок заключается в отсутствии присадочной проволоки. Соединение происходит за счёт расплавления кромок самих труб. Это называется автогенной сваркой. Такой метод исключает риск внесения загрязнений извне, но накладывает жесточайшие требования к сборке. Если в ручной сварке мастер может «перекрыть» зазор, добавив больше присадки, то здесь любой зазор приведёт к провалу сварочной ванны или утоньшению стенки шва.
Инженеры-технологи часто недооценивают влияние гравитации на сварочную ванну при малых толщинах стенки. Даже при толщине 1,6 мм жидкий металл ведёт себя по-разному в положениях «12 часов» (сверху) и «6 часов» (снизу). Сверху гравитация помогает проплавлению, вдавливая ванну внутрь. Снизу она пытается вытянуть металл наружу, создавая провис. Автоматика компенсирует эти силы, но только если программа составлена верно.
Оператор должен контролировать не только геометрию торцов, но и все входные параметры. Даже самые качественные сварочные материалы и дорогостоящие газы не спасут стык, если зазор между деталями превышает допустимые сотые доли миллиметра. Подгонка стыка должна быть идеальной: просвет недопустим, а смещение кромок не должно превышать 10 – 15% от толщины стенки.
Металлургия нержавеющей стали и титана при орбитальной сварке
При работе с аустенитными нержавеющими сталями (наиболее популярная марка 316L) главной проблемой становится перегрев. Нержавейка обладает низкой теплопроводностью. Тепло не уходит в тело трубы, а накапливается в зоне шва. Если не управлять тепловложением, возникают цвета побежалости. Эти радужные разводы — не просто визуальный дефект, а слой оксида хрома, обеднённый металлом под ним. В агрессивной среде именно здесь начнётся коррозия.
Для «чистых» производств (UHP — Ultra High Purity) стандарты вообще запрещают наличие цветов побежалости внутри трубы. Допускается лишь светло-соломенный оттенок, но идеальный шов должен быть серебристым. Достигается это не только режимами тока, но и остаточным содержанием кислорода в защитном газе.
Сварка титана требует ещё более строгой дисциплины. Титан — крайне реактивный металл. При нагреве выше 400 °C он начинает жадно поглощать кислород, азот и водород из атмосферы. Если сталь прощает кратковременное нарушение защиты, то титан мгновенно становится хрупким. Шов, насыщенный газами, может выглядеть нормально, но треснет при первой же вибрационной нагрузке. При орбитальной сварке титановых трубопроводов продувка осуществляется дольше, а температура металла контролируется на выходе из зоны защиты.
Влияние серы в составе стали также меняет гидродинамику сварочной ванны. Разница в содержании серы между двумя свариваемыми трубами (например, одна труба 0,005%, а фитинг 0,015%) может вызвать смещение дуги и несимметричное проплавление. Это явление известно как эффект Марангони: потоки жидкого металла движутся от области с низким поверхностным натяжением к области с высоким. Технолог обязан сверять сертификаты плавок (Heat Number) перед началом работ.
Секторальное управление энергией
Орбитальная сварка не является монотонным процессом, где ток подаётся ровно от начала до конца. Процесс разбивается на сектора. Обычно круг делят на 4 – 12 сегментов, и для каждого задаются свои параметры.
На старте (обычно в положении «сбоку» или «снизу») требуется высокий ток для быстрого образования ванны. По мере движения электрода вверх, тепловложение нужно снижать, так как труба уже разогрета, а гравитация помогает проплавлению. На спуске (после «12 часов») ток снова корректируют, чтобы ванна не вытекла. Завершается процесс перекрытием шва — дуга проходит начальную точку на 5 – 10 мм с плавным гашением тока (slope out), чтобы заварить кратер.
Импульсный режим тока (Pulsed Current) — основной инструмент управления ванной на тонких стенках. Ток высокой частоты пульсации сжимает дугу, делая её похожей на иглу, что обеспечивает глубокое проплавление при меньшем общем нагреве. Низкочастотная пульсация позволяет металлу кристаллизоваться «чешуйками», шаг за шагом. Во время паузы между импульсами ванна частично остывает, что предотвращает прожоги.
Газовая защита и продувка
Защита корня шва (back purging) — критический этап. Внутрь трубы подаётся инертный газ (аргон высокой чистоты 99.998% или смеси с водородом/гелием). Смеси с добавлением 2 – 5% водорода часто используют для нержавейки: водород связывает остаточный кислород и повышает температуру дуги, делая шов более узким и гладким. Однако для титана водород категорически запрещён из-за риска водородного охрупчивания.
Давление газа внутри трубы должно быть сбалансированным. Слишком сильный напор «выдует» расплавленный металл наружу, образовав вогнутый корень. Недостаточный подпор приведёт к чрезмерному провисанию внутрь, что сузит проходное сечение трубы. Технологи используют специальные заглушки с калиброванными отверстиями или системы с автоматическим контролем внутреннего давления.
Анализаторы остаточного кислорода — обязательный инструмент. Сварка не начинается, пока датчик не покажет значение ниже 10 – 20 ppm (миллионных долей). Попытка начать сварку «на глаз», ориентируясь только на время продувки, часто приводит к браку дорогостоящих узлов. Газ должен вытеснить весь воздух, включая микрообъёмы в порах металла и на поверхности заглушек.
Вольфрамовый электрод как переменная точности
Геометрия заточки электрода напрямую влияет на форму дуги и глубину проплавления. Для орбитальных головок используют заранее подготовленные электроды фиксированной длины. Угол заточки (обычно 15 – 30 градусов) определяет ширину шва: чем острее угол, тем шире дуга и меньше глубина проплавления. Тупой угол концентрирует энергию.
Поверхность электрода должна быть полированной. Риски от абразива на вольфраме могут стать причиной нестабильности дуги — электроны будут срываться с острых граней царапин, заставляя дугу «блуждать». В закрытых головках используются легированные электроды (цериевые или лантановые), так как чистый вольфрам не выдерживает термических нагрузок. Ториевые электроды, популярные в прошлом, сейчас избегают применять из-за слабой радиоактивности пыли при заточке, что противоречит стандартам безопасности многих чистых производств.
Расстояние от электрода до детали (дуговой промежуток) задаётся механически и не меняется в процессе сварки закрытой головкой. Это упрощает систему, так как не нужен блок автоматической регулировки напряжения дуги (AVC), но требует идеальной овальности трубы. Если труба имеет овальность, дуговой промежуток будет меняться при вращении, что приведёт к неравномерному провару.
Объективный контроль и валидация
В условиях серийного производства невозможно проверить каждый стык рентгеном или эндоскопом, особенно если речь идёт о тысячах соединений на одном заводе. Поэтому акцент смещается на валидацию процесса. Если параметры сварки (сила тока, напряжение, скорость вращения, расход газа) оставались в пределах узкого допуска в течение всего цикла, стык считается годным.
Современные источники питания для орбитальной сварки работают как регистраторы данных. Они записывают фактические значения параметров с частотой до нескольких раз в секунду. В конце смены технолог получает цифровой журнал. Любое отклонение, например скачок напряжения в сети или кратковременное прекращение подачи газа, фиксируется. Система может автоматически пометить шов как подозрительный.
Визуальный контроль (ВИК) и эндоскопия остаются базовыми методами проверки. Эндоскоп запускается внутрь трубы для осмотра корня шва. Оператор ищет признаки непровара, окисления или вольфрамовых включений. Цвета побежалости классифицируются по специальным таблицам стандартов (например, ASME BPE). Для фармацевтики наличие фиолетовых или синих цветов внутри трубы — безусловный брак, требующий вырезки участка и переварки.
Фактор подготовки поверхности
Механическая обработка торцов перед сваркой важнее самой сварки. Резка абразивным кругом недопустима: она перегревает металл, меняя его структуру, и оставляет частицы абразива. Используются только орбитальные труборезы с резцами из быстрорежущей стали или твёрдого сплава. Они обеспечивают перпендикулярность реза и отсутствие заусенцев.
После резки следует этап торцевания для получения идеально плоской поверхности. Затем — тщательная очистка. Использование хлорсодержащих растворителей запрещено, так как под действием дуги хлор образует фосген и вызывает коррозионное растрескивание нержавейки. Применяются спирт или ацетон высокой чистоты и безворсовые салфетки. Касаться очищенного стыка голыми руками нельзя — жировые следы от пальцев при сварке превратятся в углеродные включения и карбиды, снижая коррозионную стойкость.
Орбитальная сварка — это технология дисциплины. Машина выполнит задачу идеально ровно столько раз, сколько раз оператор обеспечит идеальные условия. Повторяемость результата здесь является следствием строгого соблюдения протокола, где каждое движение регламентировано, а каждая переменная учтена и задокументирована.