IT202100027401A1 - Testa orbitale di saldatura per la giunzione di tubi a piastre tubiere di scambiatori di calore - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
dell?Invenzione Industriale dal titolo:
TESTA ORBITALE DI SALDATURA PER LA GIUNZIONE DI TUBI A PIASTRE TUBIERE DI SCAMBIATORI DI CALORE
DESCRIZIONE
Campo di applicazione
L?invenzione si rivolge al settore dell?industria meccanica.
Pi? nel dettaglio, l?invenzione riguarda una testa orbitale di saldatura per la giunzione di tubi a piastre tubiere di scambiatori di calore.
Un settore d'impiego molto importante per la saldatura orbitale ? quello degli scambiatori di calore al cui interno sono presenti piastre tubiere forate sulle quali si devono saldare fasci di tubi in materiali, che possono andare dall'acciaio al carbonio fino agli acciai inossidabili, alle leghe di nickel, al titanio quando ? richiesta la massima resistenza alla corrosione.
Nei processi di saldatura orbitale la testa saldante viene ruotata meccanicamente intorno al tubo di 360? e oltre, in un processo continuo.
La saldatura orbitale tubo-piastra si effettua quasi sempre con la tecnologia TIG (Tungsten Inert Gas) che impiega elettrodi in tungsteno non consumabili, senza o con impiego di filo d'apporto, se necessario. La corrente monofase impiegata pu? raggiungere anche un valore di 200-300 A, in base alle condizioni di lavoro.
Stato della tecnica
I principali componenti di un impianto per la saldatura orbitale TIG di tubi di tipo automatizzato sono: un generatore con il controllo della programmazione, una testa orbitale di saldatura, un impianto di raffreddamento, una linea di alimentazione di un gas inerte a protezione della saldatura, e, dove richiesto, un alimentatore di filo d'apporto.
La testa orbitale di saldatura sostanzialmente comprende: una torcia porta elettrodo di saldatura, un sistema di arresto per detta torcia contro la piastra tubiera, linee di alimentazione di gas tecnici in pressione a protezione del bagno in fusione della saldatura, una linea di alimentazione di una corrente continua di saldatura.
Eventuali ulteriori componenti di una testa orbitale di saldatura tradizionale sono un sistema integrato di traino filo, rotante con la torcia porta elettrodo, una linea di alimentazione di liquido refrigerante per la torcia stessa e, nel caso di teste orbitali manuali, un utensile di centraggio espandibile per bloccare detta torcia di saldatura in corrispondenza di uno di detti tubi.
La torcia porta elettrodo di saldatura, e l?eventuale sistema integrato di traino filo, sono di norma montati su un giunto rotante.
Il giunto rotante ha la funzione di trasmettere, in rotazione infinita, la corrente di saldatura, il liquido di raffreddamento della torcia porta elettrodo, in mandata e ritorno, due linee di comunicazione per un gas inerte di protezione del bagno in fusione della saldatura, e il passaggio in rotazione continua di una guaina guida filo d?apporto.
Detto giunto rotante comprende, secondo tecnica nota:
- un corpo distributore fisso cavo, completo di canali separati per il convogliamento di un fluido di raffreddamento per la saldatura, di gas tecnici, e di una linea di alimentazione di una corrente di saldatura;
- un albero rotante;
- una boccola, comprendente una filettatura esterna atta a cooperare con una corrispondente filettatura interna di detto corpo distributore fisso, atta ad essere calzata su detto albero rotante e provvista internamente di mezzi elastici atti a garantire, a giunto assemblato, il contatto tra detto corpo distributore fisso e detto albero rotante.
Per garantire detto contatto tramite detti mezzi elastici ? di norma utilizzata una griglia elastica a lamelle flessibili, interposta tra detta boccola e detto albero rotante, atta a garantire il contatto tra di essi e il trasferimento della corrente di saldatura da detto corpo distributore fisso a detto albero.
Nelle boccole di tipo tradizionale, di norma impiegate per contatti non rotanti, ma ad oggi utilizzate anche sulle teste di saldatura, detta griglia elastica comprende una pluralit? di lamelle flessibili, collegate tra loro in corrispondenza delle loro estremit? mediante due anelli.
Svantaggiosamente, dette lamelle flessibili sono conformate ad arco tra i due anelli che le collegano, restringendo il foro di passaggio per detto albero rotante.
Le lamelle, una volta deformate elasticamente per l?inserimento dell?albero rotante nella boccola, garantiscono il contatto fisico tra i componenti solo per una porzione ridotta della loro superficie, sostanzialmente la porzione centrale pi? arcuata, mentre in prossimit? delle estremit? collegate agli anelli il contatto non ? garantito.
Di fatto la coppia boccola-griglia elastica non ? progettata e realizzata per la trasmissione di corrente su alberi rotanti, ma solo per innesti monofase non rotanti.
L?applicazione sulle teste orbitali di saldatura ? di fatto un ripiego che per?, seppur assolve alla funzione, comporta limiti e svantaggi.
La conformazione ad arco delle lamelle crea problemi in caso di inversione della rotazione dell?albero, condizione che nell?applicazione della saldatura orbitale tubo piastra tubiera, avviene ad ogni ciclo di saldatura.
Inoltre, la parte strisciante delle lamelle che garantisce il passaggio della corrente ? fitta ma anche molto sottile (circa 0.20 ? 0.25 mm) e quindi poco robusta anche alle sollecitazioni meccaniche.
Il problema principale riscontrato ? la scarsa affidabilit? e uniformit? di comportamento: alcuni esemplari hanno mostrato, anche solo dopo brevi periodi di utilizzo, condizioni compromesse al punto da costringere la sospensione dell?attivit? di saldatura e la sostituzione del pezzo, se non dell?intero giunto rotante, risultando anch?esso completamente inutilizzabile.
Anche un minimo deterioramento delle lamelle non garantisce pi? il contatto continuo tra corpo distributore fisso e albero rotante e provoca fenomeni indesiderati, come scariche elettriche e micro fulmini.
Ai primi segni di cedimento e deterioramento delle lamelle di contatto, durante la fase di innesco dell?arco di saldatura, che avviene per tempi brevissimi, ma raggiungendo tensioni elevate, anche di 10000 Volt, si producono dei micro inneschi che creano crateri e depositi di materiale sull?albero rotante nella zona strisciante della boccola.
Per effetto dell?attrazione magnetica, il materiale deteriorato dell?albero rotante si deposita sulla griglia elastica rendendo la superfice di contatto non pi? liscia e omogenea, aprendo la strada ad ulteriore e pi? rapido degrado del sistema conduttore boccola-griglia elastica.
Presentazione dell?invenzione
L?invenzione si propone di superare questi limiti, definendo una testa orbitale di saldatura per la giunzione saldata di tubi a piastre tubiere di scambiatori di calore che garantisca una saldatura precisa, che sia efficiente, sicura e di facile ed economica manutenzione.
E? particolare scopo dell?invenzione realizzare una testa orbitale di saldatura che permetta di trasmettere, in rotazione infinita, alla torcia porta elettrodo, la corrente di saldatura, superando gli inconvenienti sopra menzionati.
Tali scopi sono raggiunti con testa orbitale di saldatura per la giunzione saldata di tubi a piastre tubiere di scambiatori di calore comprendente, operativamente connessi tra loro,:
- una torcia porta elettrodo di saldatura;
- linee di alimentazione di una corrente di saldatura e di gas tecnici; - un giunto rotante comprendente un corpo distributore fisso cavo, una boccola, comprendente una filettatura esterna atta a cooperare con una corrispondente filettatura interna di detto corpo distributore fisso, atta ad essere calzata su un albero rotante, e una pluralit? di lamelle flessibili atte a deformarsi elasticamente per garantire il contatto e la trasmissione della corrente di saldatura da detto corpo distributore fisso a detto albero rotante,
caratterizzata dal fatto che dette lamelle flessibili comprendono ciascuna una prima e una seconda estremit?, ove ciascuna prima estremit? protrude assialmente da detta boccola e ciascuna seconda estremit? ? libera, in modo da risultare a sbalzo rispetto a detta boccola per pinzare elasticamente detto albero rotante.
Secondo un primo aspetto del trovato, detta boccola comprende una corona troncoconica comprendente dette lamelle flessibili.
In particolare, detta corona troncoconica comprende una conicit? esterna di un angolo ? e una conicit? interna di un angolo ? contrapposte tra loro.
Vantaggiosamente, detto angolo ? ? maggiore di detto angolo ?. Preferibilmente, la superficie interna di detta corona troncoconica ? rettificata.
Secondo una possibile forma realizzativa, il diametro interno minimo di detta corona troncoconica ? inferiore al diametro interno minimo di detta boccola.
Ulteriormente dette lamelle flessibili comprendono uno spessore variabile decrescente da detta prima a detta seconda estremit?.
In una variante preferita, dette lamelle flessibili sono in numero di sedici.
Secondo un ulteriore aspetto del trovato, gli spigoli di ciascuna seconda estremit? di dette lamelle flessibili sono raccordati.
Preferibilmente, detta boccola comprende una lega bronzoalluminio.
L?invenzione presenta numerosi vantaggi esposti nel seguito.
Il vantaggio principale del trovato consiste nel raggiungimento di un contatto continuo ed uniforme tra il corpo distributore fisso, in cui ? innestata la linea di alimentazione della corrente di saldatura, e l?albero rotante posto al suo interno che deve a sua volta trasferire la corrente di saldatura ai vari componenti della testa di saldatura.
A differenza della tecnica nota, in cui la boccola necessita di ulteriori mezzi elastici per favorire il contatto fisico corpo distributore ? albero, ovvero della griglia elastica, nella soluzione oggetto dell?invenzione ? la boccola stessa ad assolvere a tale compito, essendo monoblocco ed opportunamente conformata.
Le lamelle flessibili che protrudono da essa e che definiscono una corona troncoconica pinzano in modo uniforme l?albero rotante lungo tutta la sua superficie, garantendo uno strisciamento continuo e certo, tra l?albero rotante e il corpo distributore attraverso la boccola, durante tutto il funzionamento della testa di saldatura.
La forma troncoconica di detta corona, cos? come l?assottigliamento delle lamelle flessibili che la realizzano, meno spesse nella loro seconda estremit? libera, garantiscono una pressione uniforme delle lamelle stesse sulla superficie di contatto dell?albero rotante.
La conicit? interna della corona garantisce il perfetto parallelismo delle lamelle elastiche, una volta deformate elasticamente, rispetto alla superficie dell'albero rotante, quando quest'ultimo ? innestato nella boccola, assicurando una superficie di contatto estesa e totale, a differenza di quanto avveniva nella tecnica nota dove il contatto ? garantito solo nella porzione arcuata centrale delle lamelle.
Inoltre, grazie alla rettifica della superficie interna della corona troncoconica, che risulta cos? perfettamente spianata, si ottiene vantaggiosamente una migliore aderenza tra boccola e albero rotante e un passaggio di corrente ancora migliore.
In generale, la superfice di trasmissione della corrente ? notevolmente aumentata rispetto alle soluzioni tradizionali e ci? garantisce una pressione unitaria minore delle lamelle sull?albero rotante, riducendo cos? vantaggiosamente il grado di usura nel tempo delle superfici di contatto.
La maggiore superficie di contatto tra lamelle ed albero rotante riduce la quantit? di corrente trasmessa per unit? di superficie, consentendo il passaggio di correnti di amperaggio molto elevato, fino a 800 A.
Il raccordo degli spigoli della seconda estremit? libera delle lamelle elimina eventuali bave o imperfezioni di lavorazione che possono compromettere e danneggiare la superficie di strisciamento dell'albero rotante.
Breve descrizione dei disegni
I vantaggi dell?invenzione saranno maggiormente evidenti nel seguito, in cui viene descritta una modalit? preferita di realizzazione, a titolo esemplificativo e non limitativo, e con l?aiuto delle figure dove: la Fig. 1 illustra, in vista laterale parzialmente sezionata, una testa di saldatura orbitale per la giunzione saldata di tubi a piastre tubiere di scambiatori di calore secondo l?invenzione;
le Figg. 2 e 3 illustrano, in vista laterale e in sezione longitudinale, un componente della testa di saldatura secondo l?invenzione;
la Fig.4 illustra, in vista assonometrica esplosa, il componente di Fig. 2;
le Figg. 5, 6, 7 e 8 illustrano, rispettivamente in vista assonometrica, in vista laterale, in vista frontale e in sezione longitudinale, una boccola secondo l?invenzione;
la Fig.9 illustra, un dettaglio, di Fig.7.
Descrizione dettagliata di un modo di attuazione preferito dell?invenzione
Con particolare riferimento alla Figura 1 ? illustrata una testa orbitale di saldatura 1 con tecnica TIG per la giunzione saldata di tubi 2 a piastre tubiere 3 di scambiatori di calore.
Detta testa orbitale di saldatura 1 ?, a titolo di esempio, una testa di saldatura manuale ed ? gestita da un operatore, ma le caratteristiche rivendicate e i vantaggi ottenuti valgono in egual modo anche per una testa di saldatura automatica.
Detta testa orbitale di saldatura 1 comprende essenzialmente: - una torcia 4 porta elettrodo di saldatura;
- un sistema di arresto a punte 13 per detta torcia 4 contro una piastra tubiera 3;
- un utensile di centraggio 5 espandibile per detta torcia 4 di saldatura in corrispondenza di uno di detti tubi 2 da saldare;
- un sistema integrato di traino filo;
- una linea di alimentazione di un liquido refrigerante per detta torcia4 porta elettrodo di saldatura;
- una linea di alimentazione di un gas tecnico inerte, impiegato come gas di protezione alla saldatura;
- una linea di alimentazione di una corrente di saldatura;
- un giunto rotante 6 su cui sono montati detta torcia 4 porta elettrodo, detto utensile di centraggio 5, detto sistema integrato di traino filo, ed in cui si innesta anche detta linea di alimentazione di una corrente di saldatura.
Con particolare riferimento alle Figure 2, 3 e 4, detto giunto rotante comprende:
- un corpo distributore fisso 7 cavo collegato a detta linea di alimentazione di una corrente di saldatura;
- un albero rotante 10 situato all'interno di detto corpo distributore fisso 7, che nell'uso ? atto a trasmettere la sua rotazione almeno a detta torcia 4 porta elettrodo;
- una boccola 8 interposta tra detto corpo distributore fisso 7 e detto albero rotante 10.
Detta boccola 8 comprendente una filettatura esterna 9 atta a cooperare con una corrispondente filettatura interna di detto corpo distributore fisso 7 in modo da essere solidale ad esso; detto albero rotante 10 ? invece libero di ruotare all'interno di detta boccola 8.
Detto giunto rotante 6 comprende poi una pluralit? di lamelle flessibili 11, che di fatto appartengono a detta boccola 8, e che fungono da mezzi di contatto tra il corpo distributore fisso 7 e l'albero rotante 10 per consentire il passaggio della corrente di saldatura tra la parte fissa del giunto rotante 6 e l'albero rotante 10 (e quindi poi alla torcia 4 porta elettrodo di saldatura).
Dette lamelle flessibili 11 comprendono ciascuna una prima 11' e una seconda 11'' estremit?, ove ciascuna prima estremit? 11' protrude da un bordo anulare 8a di detta boccola 8 e ciascuna seconda estremit? 11'' ? libera, in modo da risultare a sbalzo rispetto a detta boccola 8 per pinzare elasticamente detto albero rotante 10 tra di esse.
Come sopra detto, dette lamelle flessibili 11 sono atte a deformarsi elasticamente per garantire il contatto e la trasmissione della corrente di saldatura da detto corpo distributore fisso 7 a detto albero rotante 10. Con particolare riferimento alle Figure 5, 6, 7 e 8, detta boccola 8 comprende una corona troncoconica 12 comprendente dette lamelle flessibili 11. Detta boccola 8 e detta corona troncoconica 12 formata da dette lamelle flessibili 11 costituiscono un monoblocco.
Dette lamelle flessibili 11, hanno forma sostanzialmente allungata e uno spessore variabile decrescente da detta prima 11' a detta seconda 11'' estremit?, in modo che di fatto la seconda estremit? 11'' libera a sbalzo di dette lamelle 11 abbia uno spessore pi? sottile rispetto allo spessore della loro estremit? opposta 11' prossima (di innesto) alla boccola 8.
Detta corona troncoconica 12 comprende una conicit? esterna di un angolo ? e una conicit? interna di un angolo ? contrapposte tra loro, ove detto angolo ? ? maggiore di detto angolo ?.
Il diametro interno minimo ?1 di detta corona troncoconica 12 ? inferiore al diametro interno minimo ?2 di detta boccola 8.
In particolare, detta boccola 8 comprende una lega bronzo-alluminio che rende minima la resistenza al passaggio della corrente elettrica. Le leghe bronzo-alluminio si contraddistinguono per l'alto contenuto di alluminio che varia dall'8,5% al 12% a cui si accompagnano spesso ferro, silicio, manganese o nichel.
Grazie alle eccellenti propriet? meccaniche e all'ottima resistenza alla corrosione, trovano gi? impiego nell'ambito marittimo o in applicazioni meccaniche particolarmente stressanti con carichi molto alti e sollecitati.
Per la particolare applicazione oggetto dell'invenzione, ottimi risultati si sono ottenuti con l'impiego della lega bronzo-alluminio commercialmente nota con la sigla CC333G.
Una testa di saldatura orbitale 1 secondo l'invenzione e come qui sopra descritta nel dettaglio di alcuni suoi componenti garantisce una affidabilit? minima di 100.000 cicli di saldatura orbitale, con portate fino a 500 A senza registrare perdite di carico da attrito significative e con perdite per resistenza elettrica al passaggio della corrente del tutto trascurabili.
Claims (10)
1. Testa orbitale di saldatura (1) per la giunzione saldata di tubi (2) a piastre tubiere (3) di scambiatori di calore comprendente, operativamente connessi tra loro:
- una torcia (4) porta elettrodo di saldatura;
- linee di alimentazione di una corrente di saldatura e di gas tecnici; - un giunto rotante (6) comprendente un corpo distributore fisso (7) cavo, una boccola (8) comprendente una filettatura esterna (9) atta a cooperare con una corrispondente filettatura interna di detto corpo distributore fisso (7) e atta ad essere calzata su un albero rotante (10), e una pluralit? di lamelle flessibili (11) atte a deformarsi elasticamente per garantire il contatto e la trasmissione della corrente di saldatura da detto corpo distributore fisso (7) a detto albero rotante (10),
caratterizzata dal fatto che dette lamelle flessibili (11) comprendono ciascuna una prima (11') e una seconda (11'') estremit?, ove ciascuna prima estremit? (11') protrude assialmente da detta boccola (8) e ciascuna seconda estremit? (11'') ? libera, in modo da risultare a sbalzo rispetto a detta boccola (8) per pinzare elasticamente detto albero rotante (10).
2. Testa orbitale di saldatura (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta boccola (8) comprende una corona troncoconica (12) comprendente dette lamelle flessibili (11).
3. Testa orbitale di saldatura (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta corona troncoconica (12) comprende una conicit? esterna di un angolo (?) e una conicit? interna di un angolo (?) contrapposte tra loro.
4. Testa orbitale di saldatura (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto angolo (?) ? maggiore di detto angolo (?).
5. Testa orbitale di saldatura (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la superficie interna (12a) di detta corona troncoconica (12) ? rettificata.
6. Testa orbitale di saldatura (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il diametro interno (?1) minimo di detta corona troncoconica (12) ? inferiore al diametro interno (?2) minimo di detta boccola (8).
7. Testa orbitale di saldatura (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette lamelle flessibili (11) comprendono uno spessore variabile decrescente da detta prima (11') a detta seconda (11'') estremit?.
8. Testa orbitale di saldatura (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette lamelle flessibili (11) sono in numero di sedici.
9. Testa orbitale di saldatura (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli spigoli di ciascuna seconda estremit? (11'') di dette lamelle flessibili (11) sono raccordati.
10. Testa orbitale di saldatura (11) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta boccola (8) comprende una lega bronzo-alluminio.
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