Способ изготовления сварных труб из ленты и установка для его осуществления

 

Изобретение относится к технологии и оборудованию для лазерной сварки. Цель изобретения - повышение качества сварного соединения. При изготовлении сварных труб из ленты последнюю перемещают с заданной скоростью и формируют из нее трубную заготовку, сводя предварительно подготовленные с заданной высотой микронеровностей кромки ленты и располагая одну кромку напротив другой, предварительно нагревают их, сваривают сфокусированным лазерным лучом, охлаждают с заданной скоростью до заданной температуры и осаживают до заданного объема высадки: Высоту микронеровностей подготовленных кромок ленты берут равной не более половины диаметра луча, охлаждение свариваемых кромок осуществляют до температуры, соответствующей точке Асэ диаграммы железо-углерод для углеродистых сталей или соответствующей образованию деидритов для специальных и аустенитных сталей,, а осадку осуществляют, создавая усилие, соответствующее высадке с от ношением объемов высаженного металла с внутренней и наружной сторон трубы, по меньшей мере, равным 1:3. В результате формируют качественный шов с объемом высаженного металла на внутренней и внешней сторонах, равным 1:10,по всей длине трубы,2 с.и 15 з.п. ф-лы,8 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСОУ БЛИК (я)з В 23 К 26/00

ГОСУДАРСТВЕЯ.АЛЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4203352/27 (22) 25.09.87 (31) 3632952.5 (32) 27,09.86 (ЗЗ) 0Е (46) 07.03.92. Бюл, 1Ф 9 . (71) Хеш АГ(0Е) (72) Рольф Кребс, Отто Вельзинг, Фридхельм Ретцлафф, Фридхельм Гюнтер, ХансЮрген Валь, Манфред Гербер и Хайнц Грос (DE) (53) 621.791.72;03 (088.8) (56) Заявка Японии М 60-46890, кл. В 23 К 26/00, 1985.

Заявка Японии М 60 — 96384,, кл. В 23 К 26/00, 1985. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ

ТРУБ ИЗ ЛЕНТЫ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО

О СУЩЕ СТВЛ Е Н ИЯ (57) Изобретение относится к технологии и оборудованию для лазерной сварки, Цель изобретения — повышение качества сварного соединения, При изготовлении сварных труб из ленты последнюю перемещают с

Изобретение относится к технологии и оборудованию для лазерной сварки.

Цель изобретения: — повышение качес1ва сварного соединения.

На фиг.1 изображена схема осуществления способа; на фиг,2 — схема установки для осуществления способа; на фиг,3 и 4.— схемы измерения смещения кромок ленты при использовании источника света и датчика регистрации светового потока; на фиг.5— сечение А-А на-фиг.2; на фиг.6 — схема сварочной ванны; на фиг.7 -;.на

». Ц 1718714 АЗ заданной скоростью и формируют из нее трубную заготовку, сводя предварительно подготовленные с заданной высотой микронеровностей кромки ленты и располагая одну кромку напротив другой, предварительно нагревают их, сваривают сфокусированным лазерным лучом, охлаждают с заданной скоростью до заданной температуры и осаживают до заданного объема высадки: Высоту микронеровностей подготовленных кромок ленты берут равной не более половины диаметра луча, охлаждение свариваемых кромок осуществляют до температуры, соответствующей точке Ас диаграммы железо — углерод для углеродистых сталей или соответствующей образованию деидритов для специальных и эустенитных сталей, а осадку осуществляют, ссз авая усилие, соответствующее высадке с от ошением объемов высаженного металла с внутренней и наружной сторон трубы, по меньшей мере, равным 1;3. В результате формируют качественный шов с объемом высаженного металла на внутренней и внешней сторонах, равным 1:10,по всей длине трубы.2 с.и 15 з.п. ф-лы,8 ил. фиг.8 — схема устройства для подготовки сваривэемых кромок ленты.

При изготовлении сварных труб из ленты 1 ее перемещают с заданной скоростью и формируют из нее трубную заготовку, сводя предварительно подготовленные, с заданной высотой микронеровностей кромки

2 и 3 ленты 1 и располагая одну кромку напротив другой, предварительно нагревают их, сваривают сфокусированным лазерным лучом 4, охлаждают с заданной скоростью до заданной температуры и оса1718714 живают до заданного объема высадки, Высоту микронеровностей подготовленных кромок 2 и 3 ленты 1 берут равной не более половины диаметра сфокусированного луча

4, охлаждение свареных кромок осуществляют до температуры, соответствующей точке

Асз диаграммы железо — углерод для углеродистых сталей или соответствующей образованию дендритов для специальных и аустенитных сталей, а осадку осуществляют, создавая усилие, соответствующее высадке с отношением объемов высаженного металла с внутренней и наружной сторон трубы, по меньшей мере, равным 1:3. Величину смещения кромок 2. и 3 ленты 1 при сведении их в зоне сварки берут равной не более 20 их толщины (фиг.1):

Объем высаженного металла определяют по высоте высадкиили по ее ширине, или по углу наклона боковой поверхности высадки к поверхности трубы, Скорость охлаждения сваренных кромок регулируют, дополнительно подогревая их или околошовную зону, Выбор высоты микронеровностей подготовленных кромок регламентируется тем, что в случае выбора этой высоты большей половины диаметра фокусированного луча наблюдается неравномерный нагрев свариваемых кромок, что ухудшает процесс формирования шва, Температура охлаждения сваренных кромок регламентируется тем; что в случаях несоответстия этой температуры точке Асз диаграммы железо — углерод для углеродистых сталей или образованию дендритов для специальных и аустенитных сталей наблюдается понижение прочностных характеристик соединения, а также повышение напряжений в околошовной зоне, При выборе объемов высаженного металла с внутренней и наружной сторон трубы меньшим, чем 1:3 наблюдаются провалы шва по его длине, что снижает прочностные характеристики соединения.

При выборе величины смещения кромок ленты более 20 Д их толщины наблюдается ухудшение геометрии шва и снижение его прочностных характеристик.

Установка для изготовления сварных труб из ленты 1 содержит блоки 5 формирования и перемещения и осадки 6 трубы с направляющими элементами 7, лазерную сварочную головку 8 и устройство 9 для предварительной подготовки и нагрева сва.риваемых кромок 2 и 3 трубы (фиг.2 и 8), Установка также снабжена блоком 10 измерения смещения кромок ленты и ширины зазора между ними с устройством 11 преобразования полученных из зоны контроля

40 а45

55 сигналов в электрические, позиционными датчиками 12 и блоком 13 обработки данных для управления блоками 5 формирования и перемещения трубы, блоком 14, трехкоординатного перемещения сварочной головки

8 с системой 15 управления и бесконтактного слежения за относительным положением луча и зазора между свариваемыми кромками и обработки данных, а также узлом 15 измерения температуры с системой обработки данных, механизмом 17 регулирования перемещения направляющих элементов 7 и узлом 18 измерения величины осадка с системой обработки данных, Направляющие элементы 7 блока 6 осадки трубы могут быть выполнены в виде роликовых клетей или в виде скользящих формирующих колец (фиг.б — 7).

Блок 10 измерения смещения кромок ленты 1 и ширины зазора между ними может быть выполнен в виде источника 19 света и датчика 20 регистрации светового потока (фиг,3 и 4).

Позиционные датчики 12 блока 10 измерения смещения кромок 2 и 3 ленты 1 и ширины зазора между ними могут быть выполнены в виде потенциометров.

Система 15 управления и бесконтактного слежения за относительным положением луча и зазора между свариваемыми кромками может быть выполнена в виде оптической системы.

Узел 18 измерения величины осадки может быть выполнен оптическим или в виде механических щупов, или в виде приборов индуктивности.

Установка работает следующим образом.

Ленточный исходный материал сгибают посредством формовэния с помощью роликов, и/или роликовых клеток до получения шлицевой трубы.

Источником света бесконтактной системы 15 слежения освещают поверхность шлицевой трубы наклонно к направлению ее подачи. При помощи телевизионной камеры, расположенной нэд зазором по отраженному от поверхности трубы или поглощенных в зазоре световому потоку, регистрируют контрастное видеоизображение о зазоре. При помощи промышленной телевизионной камеры записывают двоичное изображение (полукадр поперек к оси трубы из, например, 512 256 точек изображения без серых оттенков), с

Вычислительный блок обрабатывает амплитуды поступающих видеосигналов с помощью порога, соответствующего среднему значению яркости, который достаточно точно обеспечивает различие между

1718714

20 тельного луча и точкой приема отраженного

30 луча, которое прямопропорционально расстоянию до поверхности объекта, и в виде

40 защитныи газ, 50 отраженным и поглощенным световыми потоками.

Смещение контрастной границы,. т.е. границы между отражающей и поглощающей поверхностями трубы, предоставляет- 5 ся для дальнейшей обработки после электрон ного on ределения контрастного различия с помощью аналогового напряжения Од, пропорционального отклонению зазора.

Каждую из кромок 2 и 3 ленты 1 направляют посредством роликов, откалиброванных в соответствии с диаметром трубы, Роликовые линейки регулируют по аысоте перпендикулярно к оси трубы и получа- 15 ют опорное усилие через опорную линейку с призматическими роликами.

Высоту роликовых линеек определяют с помощью соответствующих потенциомет-. ров, пропорциональный сигнал в которых в виде аналогового напряжения Ur подается в блок обработки данных.

Системой 15 регистрируют смещения кромок 2 и 3 ленты 1, а также ширину зазора между ними непосредственно перед зоной 25 сварки.

В зависимости от смещения кромок ленты образуются затененные поверхности, которые обнаруживаются диодной строчной камерой с помощью различно отраженных пучков световых лучей.

Зазор под сварку также дает теневую или поглощающую поверхность, соответствующую его ширине.

Диодная строчная камера, имеющая разрешающую способность, достигающую

3000 точек изображения на строку, преобразует в аналоговое напряжение 0ь длину теневых поверхностей, пропорциональную высоте смещения кромок 2 и 3, которое подается в блок 13 обработки данных. Равным образом другой камерой в блок 13 обработки данных подается напряжение Us, пропорциональное ширине зазора между . кромками 2 и 3, После переработки и срав- 45 нения с напряжением 0; пропорциональным положению по высоте роликовых линеек, блок 13 обработки данных генерирует управляющее напряжение, которое подается на исполнительный привод смещения по высоте роликовых линеек.

На дальнейшем этапе технологйческого процесса индуктивной катушкой, которая приводится s действие генератором Сред- . них частот, осуществляют нагрев трубной 55 за готов ки, Генератор средних частот регулируется по мощности с помощью устройства обработки данных, которое получает от пирометра излучение, измеряющее температуру шва позади точки осадки и тем самым регулирующее подогрев кромок 2 и 3 ленты, аналоговое напряжение 0ь пропорциональное этой температуре, преобразует его в управляющее напряжение для генератора средних частот.

Направляющие ролики 7 направляют трубу в зону сварки, но без приложения давления к кромкам 2 и 3 ленты и при сохранекии зазора под сварку шириной 0,3 мм.

Поперечную подачу направляющих роликов 7 регулируют с помощью исполнительных приводов, управляющее напряжение которых обеспечивается блоком 13 обработки данных после выработки пропорционального напряжения.

Для регулирования положения пятна нагрева лазерного луча используют измерительный лазер, которым параллельно к onтической оси рабочего лазерного луча измеряют расстояние до поверхности кромок 2 и 3. При этом измерение расстояния производится с помощью триангуляционного метода, при котором лазерный луч, направленный наклонно к поверхности обьекта, отражается и снова принимается.

С помощью строчной камеры оценивается расстояние между точкой выхода измерианалогового напряжения U> в качестве входного сигнала подается в блок обработки данных. Блок обработки данных генерирует после дополнительной обработки аналогового напряжения 0 из вычислительного блока, пропорционально перемещениям кромок ленты управляющее напряжение, подаваемое на электрический привод блока

14 трехкоординатного перемещения сварочной головкой 8. Через лазерную сварочную головку 8 в зону сварки подают

Выполненный сваркой плавлением шов проходит со скоростью подачи участок охлаждения да точки осадки, где производится его осаждение с помощью механизма 17 перпендикулярно к продольной оси сварно го шва.

Поперечная подача производится с помощью исполнительных двигателей, воздействующих на установочные шпиндели, которые получают свои управляющие напряжения через устройство обработки данн ых. Дл я этого устро и ство обработки данных оценивает и сравнивает аналоговые напряжения, получаемые в качестве выходных сигналов из узлов 18 измерения величины осадки.

1718714

3ти аналоговые напряжения получаются при измерении ширины высаженного металла и пропорциональны этой ширине, причем данное измерение осуществляют с помощью эндоскопов, установленных на внутренней и внешней стороне шва, а также из последующих производимых в узлах 18 измерений величины осадки.

Стандартные эндоскопы имеют расположенный по дуге окружности пакет стекловолокон для наблюдения и окружающий их расположенный по кольцу пакет стекловолокон для освещения области, подлежащей отображению.

Пример. Из ленточного материала (ферритная специальная сталь X5CvTi12) толщиной 3 мм с помощью роликов формируют трубную заготовку диаметром 63,5 мм.

Поверхность свариваемых кромок ленты подготавливают со средней высотой микронеровностей Rm = 40 мкм. Для слежения за величиной зазора используют промышленную телевизионную камеру с двоичным изображением по 51Ъ256 точкам изображения без серых оттенков, Зазор между свариваемыми кромками выдерживают 0,3 мм, Трубу формируют из ленты размером

199,5 3 мм, Свариваемые кромки подготавливают строганием с помощью расположенных по обеим сторонам ленты резцов из материала 105. МпСг4 на 3 — 4 мм. Для сварки используют лазерное излччение с плотностью мощности 2,022х-10 Вт/мм2 и диаметром пятна нагрева 0,05 см. Вводимая мощность составляет 3,97х10 Вт.В процессе формирования трубы осуществляют контроль зазора между свариваемыми кромками, если зазор смещается или поворачивается s направлении перемещением трубы вправо, то на каждые 0,2 мм управляющее напряжение Ug пропорционально изменяется на 0,5 В, Аналогично напряжение уменьшается на 0,5 В при смещениях трубы от заданного положения влево. Предварительный нагрев свариваемых кромок осуществляют до температуры 220 С, .Температура металла шва после осадки кромок составляет 850 С. Скорость сварки была равна 5,8 м/мин. В результате формируют шов с объемом высаженного металла на внутренней и внешней сторонах равным 1:10 по всей длине трубы. Провалы шва отсутствуют, что обеспечивает его высокое качество, Формула изобретения

1. Способ изготовления сварных труб из ленты, при котором ленту перемещают с заданной скоростью и формируют из нее трубную заготовку, сводя предварительно изготовленные с заданной высотой микро5

55 неровностей кромки ленты и располагая одну кромку напротив другой, предварительно нагревают их, сваривают сфокусированным лазерным лучом, охлаждают с заданной скоростью до заданной температуры и осаживают до заданного объема высадки, о т л и ча ю шийся тем, что. с целью повышения качества сварного соединения, микронеровности подготовленных кромок ленты выполняют высотой, равной не более половины диаметра сфокусированного луча, охлаждение сваренных кромок осуществляют до температуры, соответствующей точке

Асз диаграммы железо — углерод для углеродистых сталей или образованию дендритов для специальных и аустенитных сталей; а осадку осуществляют, создавая усилие, соответствующее высадке с отношением объемов высаженного металла с внутренней и наружной сторон трубы, по меньшей мере равным 1;3.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина смещения кромок ленты при сведении их в зоне сварки равна не более 20 Д их толщины, 3. Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щи йс я тем, что объем высаженного металла определяют по высоте высадки..

4. Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ и й» с я тем, что объем высаженного металла определяют по ширине высадки, 5. Способ по пп.1 и 2, от л и ч а ю щи йс я тем, что объем высаженного металла определяют по углу наклона боковой поверхности высадки к поверхности трубы.

6, Способ по пп, 1-5, отл ич а ю щийс я тем, что скорость охлаждения сваренных кромок регулируют.

7. Способпо пб,отл ичающийся тем, что скорость охлаждения сваренных кромок регулируют, дополнительно подогревая их.

8. Способ по и 6, отличающийся тем, что скорость охлаждения сваренных кромок регулируют, дополнительно подогревая околошовную зону.

9. Установка для изготовления сварных труб из ленты, содержащая блоки формирования и перемещения и осадки трубы с направляющими элементами, лазерную сварочную головку и устройство для предварительной подготовки и нагрева свариваемых кромок трубы, отл и ч а ю ща я с я тем, что, с целью повышения качества сварного соединения, она снабжена блоком измерения смещения кромок ленты и ширины зазора между ними с устройством преобразования полученных из эоны контроля сигналов в электрические, позиционными датчиками и блоком обработки

1718714

9 данных для управления блоками формирования и перемещения трубы, блоком трехкоординатного перемещения сварочной головки с системами управления и бесконтактного слежения за относительным поло- 5 жением луча и зазора между свариваемыми кромками и обработки данных, а также узлом измерения температуры с системой обработки данных, механизмом регулирования перемещения направляю- 10 щих элементов и узлом измерения величины осадки с системой обработки данных.

10. Установка по п.7, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что направляющие элементы блока осадки трубы выполнены в виде роликавых 15 клетей.

11. Установка по п.7, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что направляющие элементы блока осадки трубы выполнены в виде скользящих формирующих колец. 20

12. Установка по п.7,.о т л и ч а ю щ а яс я тем, что блок измерения смещения кромок ленты и ширины зазора между ними выполнен в виде источника света и датчика регистрации светового потока.

13. Установка по п,7. о т л и ч а ю щ а яс я тем, что позиционные датчики блока измерения смещения кромок ленты и ширины зазора между нимй выполнены в виде потенциометров.

14. Установкапоп.7, отл ича ю ща я с я тем, что система управления и бесконтактного слежения зэ относительным положением луча и зазора между свариваемыми кромками выполнена в виде оптической системы.

1б, Установка по п7, отл и ча ю ща яс я тем, что узел измерения величины осадки выполнен оптическим.

16. Установка по п.7, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что узел измерения величины осадки выполнен в виде механических щупов.

17.Установка по по.",отл ич а ю ща яс я тем, что узел измерения величины осадки выполнен в виде приборов индуктивности.

1718714

1Я

Аа. 3

Puz.4

1718714

Составитель В. Мельников

Редактор В. Бугренкова Техред М.Моргентал Корректор М. Кучерявая

Заказ 892 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