Способ лазерной сварки тонкостенных труб


 


Владельцы патента RU 2533572:

Общество с ограниченной ответственностью "СВЧ ЛАБ" (RU)

Изобретение относится к способу лазерной сварки тонкостенных труб и может найти применение в различных отраслях техники. Осуществляют воздействие лазерным лучом на подлежащие соединению кромки свариваемых труб. Подают в зону сварки для охлаждения кромок свариваемых труб аргон с температурой (-200°С.) При этом во время процесса сварки охлаждают весь корпус сварочного кондуктора до температуры, равной (-200°С) путем подачи через дополнительное устройство и непрерывной циркуляции в контуре кондуктора сжиженного азота. Лазерную сварку ведут в непрерывном режиме лазерного излучения до глубокого проплавления кромок свариваемой трубы и при непрерывном поступательном перемещении трубы вдоль горизонтальной оси сварочного кондуктора. Скорость лазерной сварки труб выбирают в зависимости от их толщины и времени глубокого проплавления металла при воздействии лазерного луча. В результате достигается повышение скорости сварки при сохранении качества проплава трубы и однородности полученного при сварке шва. 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии и оборудованию для лазерной сварки и может быть использовано для лазерной сварки тонкостенных труб. Изделия из труб имеют широкое применение в различных отраслях техники. Высокая потребность в тонкостенных трубах имеется в авиастроении и многих других отраслях, но лидирующее место занимает атомная энергетика, где их применение весьма значительно. Они используются для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов.

Применяемые промышленные способы изготовления цельнотянутых труб требуют многих циклов нагрева стальной заготовки трубы, необходимых для деформирования. При недостаточной защите нагревы вызывают в металле нежелательные ухудшения микроструктуры (межкристаллитное окисление, рост кристаллов). Методика механического протягивания заготовки трубы через фильеры со свободно скользящим калибрующим дорном внутри в принципе не может исключить возникновение разностенности или хотя бы обеспечить равномерность толщины трубы, как по окружности, так и по всей ее длине. Движение дорна также порождает микроцарапины внутри трубы, что ведет к ухудшению ее качества.

Известен «Способ лазерной сварки тонколистовых изделий цилиндрической формы», при котором предварительно раскатанный листовой материал формируют в валках в цилиндрическую заготовку, сваривают лазерным лучом, покрывают покрытием и режут на части с определенной длиной, при этом листовой материал раскатывают до толщины большей, чем эксплутационная толщина, а лазерную сварку ведут в режиме глубокого проплавления, а после сварки выполняют раскатку трубы в валиках до эксплуатационной толщины и затем режут ее на части, причем формирование в цилиндрическую заготовку, сварку, раскатку и разрезку трубы выполняют в процессе вращения ее вокруг собственной оси, которое ей обеспечивает механизм раскатки трубы, разрезку трубы на части ведут лазерным лучом.

Патент РФ на изобретение №2123918; В23K 26/00, д. публ. 1998.12.27.

Известен «Способ сварки непрерывным лазерным излучением», сварка непрерывным лазерным излучением, при котором процесс ведут в сварочной камере при остаточном давлении ниже атмосферного, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и улучшения качества сварного соединения, процесс осуществляют при остаточном давлении в сварной камере, равном 5*10-2-1*10-3 мм рт.ст.

Авторское свидетельство №1808588; МКИ: В23K 26/00, д. публ. 1993.04.15.

Наиболее близким к предлагаемому в качестве изобретения техническому решению является «Способ сварки Л.Е. Федорова», сварка при котором осуществляет воздействие высокоэнергетическим тепловым лучом на подлежащие соединению участки свариваемых деталей и подачу в зону сварки инертного газа, отличающийся тем, что подлежащие соединению участки свариваемых деталей охлаждают, для чего инертный газ подают при температуре (-200°С). Патент РФ на изобретение №2047446; МПК: В23К 26/00, д. публ. 1995.11.10. К недостаткам вышеописанных способов сварки относятся невысокие скорости сварки и качественные изменения микроструктуры (межкристаллитное окисление, рост кристаллов) металла свариваемой трубы из-за нагрева в результате непрерывного лазерного излучения всей массы металла свариваемой трубы.

К техническому результату относятся повышение скорости сварки при сохранении качества проплава трубы и однородности полученного при сварке шва путем подачи в сварочный кондуктор сжиженного азота, его циркуляции по контуру кондуктора и в результате охлаждения всей массы свариваемой трубы.

Технический результат достигается путем того, что способ лазерной сварки тонкостенных труб включает установку свариваемых труб в сварочный кондуктор, воздействие лазерным лучом в непрерывном режиме на подлежащие соединению кромки свариваемых труб до глубокого проплавления кромок свариваемой трубы при непрерывном поступательном перемещении трубы вдоль горизонтальной оси сварочного кондуктора. Затем охлаждение зоны сварки путем подачи в нее химического реагента в виде инертного газа - аргона, с температурой (-200°С). При этом свариваемые трубы во время процесса сварки охлаждают по всей их массе до температуры, равной (-200°С), путем подачи и непрерывной циркуляции в контуре кондуктора сжиженного азота. Причем скорость лазерной сварки труб выбирают в зависимости от их толщины и времени глубокого проплавления металла при воздействии лазерного луча из следующего соотношения:

V=b/t С, где

V - скорость сварки, мм/сек;

b - толщина свариваемых труб, мм;

t - время глубокого проплавления металла, сек;

С - математическая константа, равная 4*10-4.

Предлагаемый способ лазерной сварки позволяет получать высокопрочные сварные швы без выпуклости, в которых легко восстанавливается первичная структура свариваемого металла с его свойствами. Достигается это путем охлаждения жидким азотом всей массы свариваемой трубы, при этом повышение температуры от обработки лазером осуществляют только в области сварного шва, поэтому сварочная структура перекристаллизовывается в структуру свариваемого металла, и свариваемая труба становится как бы цельной, т.е. безшовной и бездефектной.

Примеры конкретного выполнения способа: в связи с тем, что толщина свариваемых металлов очень мала и, ее величина колеблется от 0,01 до 1 мм, а температура теплового лазерного луча составляет 8000-10000°C, то можно принять толщину металла равной 0,02 мм.

Кроме того на скорость сварки большее влияние оказывает тугоплавкость свариваемого металла. Таким образом, при температуре плавления металла до 1000°C, время воздействия лазером равно 1 сек. При температуре плавления металла от 1000 до 1500°C, время воздействия лазером равно 2 сек. При температуре плавления металла от 1500 до 2000°С, время воздействия лазером равно 3 сек.

Приводим расчеты скорости сварки труб различной толщины.

Скорость сварки труб с толщиной 0,01 мм (температура плавления металла до 1000°С):

V=0.01 мм / 4*10-4*1 сек = 50 мм/сек = 3 м/мин.

Скорость сварки труб с толщиной 0,02 мм (температура плавления металла от 1000 до 1500°С):

V=0.02 мм / 4*10-4*2 сек = 25 мм/сек = 1,5 м/мин.

Скорость сварки труб с толщиной 0,03 мм (температура плавления металла от 1500 до 2000°С):

V=0.03 мм / 4*10-4*3 сек = 16,7 мм/сек = 1 м/мин.

Результаты сведены в таблицу 1.

Этот способ лазерной сварки позволяет изготавливать высокоточные геометрически тонкостенные трубы, однородной толщины из серийных металлических лент, толщиной 0,02÷0,5 мм, в том числе для оболочек ТВЭЛ атомных реакторов.

Предлагаемый способ изготовления труб лазерной сваркой обладает большими скоростями сварки, является очень малоотходным и дешевым, не имеет ограничений по размерам изготавливаемых труб и многослойной толщины их стенок, а также легко переналаживается на любые размеры труб.

Таблица 1.
Режимы воздействия на металлическую поверхность упрочняемого изделия
Основной металл изделия Глубина воздействия Скорость Мощность лазера Кол-во модулей Охлаждение Расход охлаждающей среды Расход защитного газа Фокусное расстояние
(мм) (об/мин) (кВт) излучения (шт.) Азот Вода кВт или л/мин (мм)
ФНС-5 (фильтрующая нержавеющая сталь, 5 мкрн.) 0,16 200 120-130 1 нет нет нет 5 206
Никель 0,06 200 100 1 нет нет нет 5 206
МД-40 0,2 200 250 3 да 3 л/мин 5 180
12Х17Г9АН4 0,3 (Fe ~ 68%) 200 240 3 да 100 кВт 7 180
08Ю 0,05 (Fe ~ 99%) 150 100 1 да 150 кВт 5 206
12Х18Н10Т 0,05 (Fe ~ 67%) 250 90 1 да 150 кВт 7 186
12Х18Н10Т 0,16 200 250 3 да 3 л/мин 7 102,5

Способ лазерной сварки тонкостенных труб, включающий установку свариваемых труб в сварочный кондуктор, воздействие лазерным лучом в непрерывном режиме на подлежащие соединению кромки свариваемых труб до глубокого проплавления кромок свариваемой трубы при непрерывном поступательном перемещении трубы вдоль горизонтальной оси сварочного кондуктора и охлаждение зоны сварки путем подачи в нее в качестве химического реагента инертного газа в виде аргона с температурой (-200°С), отличающийся тем, что свариваемые трубы во время процесса сварки охлаждают по всей их массе до температуры (-200°С) путем подачи и непрерывной циркуляции в контуре кондуктора сжиженного азота, причем скорость лазерной сварки труб выбирают в зависимости от их толщины и времени глубокого проплавления металла при воздействии лазерного луча из следующего соотношения:
V=b/t С, где
V - скорость сварки, мм/сек;
b - толщина свариваемых труб, мм;
t - время глубокого проплавления металла, сек;
С - математическая константа, равная 4*10-4 .



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способу лазерной сварки встык листов из стали с содержанием бора 1,3-3,6%, в частности листов из борсодержащей стали 04Х143Р1Ф-Ш, и может найти применение для изготовления сварных изделий и труб с повышенными требованиями к поглощению нейтронного излучения для объектов атомной энергетики.

Изобретение относится к способу и устройству для обработки подвижной подложки при помощи лазера для получения в результате обработки материала, отделенного от подложки.

Изобретение относится к металлургии и машиностроению и может быть использовано для поверхностного упрочнения и восстановления деталей машин и механизмов. На подложку газопорошковой лазерной наплавкой наносят самофлюсующиеся порошки системы NiCrBSi, после чего осуществляют отжиг при температуре 1000-1075°C в течение 1-3 часов.

Изобретение относится к способу и устройству газолазерной резки композиционных материалов. .

Изобретение относится к области обработки лучом лазера преимущественно металлических материалов больших толщин, в частности к способу и установке для газолазерной резки.

Изобретение относится к области металлообработки, а именно к способам и устройствам для лазерного раскроя металлических листовых материалов, и может быть использовано в атомной технике, а также в других отраслях промышленности.

Изобретение относится к оптическим технологиям, в частности к лазерным методам формирования на подложках структурных образований нано- и микроразмеров для нано- и микромеханики и микроэлектроники.
Изобретение относится к способам сварки соединений из алюминия и алюминиевых сплавов и может быть использовано при производстве легких металлоконструкций в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к способу термообработки поверхности материалов концентрированными источниками энергии. .

Изобретение относится к способу лазерного упрочнения плоской заготовки и может быть использовано для формирования поверхностных слоев материалов путем термообработки. Способ включает воздействие на обрабатываемую поверхность заготовки лазерным лучом с получением закаленного подповерхностного слоя. Одновременно с воздействием лазерным лучом на заданные участки заготовки подают поток охлаждающей среды с формированием незакаленного вязкого подповерхностного слоя, заданную глубину залегания которого регулируют объемом подаваемой охлаждающей среды. В результате получают заготовку с заданной глубиной залегания вязкого подповерхностного слоя материала, что повышает ее эксплуатационные свойства. 1 ил., 1 пр.

Изобретение относится к лазерной сварке двух стальных деталей (1, 2) и может быть использовано в автомобилестроении. Лазерный луч (3) и металлическую присадочную проволоку (4) непрерывно перемещают вдоль соединительной линии между двумя деталями (1, 2) таким образом, что этот лазерный луч (3) непрерывно плавит металлическую присадочную проволоку (4) так, чтобы образовывать непрерывный сварочный шов (5) между двумя деталями (1, 2). Защитный газ вдувают на сварочный шов. Защитный газ представляет собой сжатый воздух, свободный от газов, отличающихся от тех, что содержатся в окружающем воздухе. Устройство содержит форсунку для вдувания воздуха, присоединенную к источнику сжатого воздуха. В результате предотвращается образование пористости сварных швов и, соответственно, повышается качество сварных деталей. 4 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу соединительной сварки встык оснащенных покрытием стальных листов (1). К сварочному расплаву (6) через, по меньшей мере, один проточный канал (10) подводят, по меньшей мере, одну порошкообразную сварочную присадку (8) в форме потока (9) газа и порошка. Выходящий из проточного канала (10) поток (9) газа и порошка направляют на сварочный расплав (6) со скоростью выхода, по меньшей мере, 2 м/с. За счет возникновения турбулентного перемешивания сварочной присадки (8) со сварочным расплавом (6) в сварочном расплаве (6) образуются завихрения (12) потока. В результате получают сварное соединение стальных листов с покрытием без потери прочности в сварном шве за счет подмешивания основных частей покрытия. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к оборудованию для лазерной обработки. Оптическая лазерная головка содержит наружное и внутреннее газовые сопла с каналами для подвода активного и защитного газов, фокусирующую линзу, размещенную во внутреннем сопле, сквозные отверстия, размещенные на боковой поверхности внутреннего сопла. Внутреннее сопло выполнено по типу сопла Лаваля. Фокусирующая линза базируется своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего сопла с возможностью поршневого перемещения вдоль оси. При этом канал для подвода активного газа к внутреннему соплу расположен между фокусирующей линзой и соплом Лаваля, а сквозные отверстия внутреннего сопла расположены над линзой. Изобретение направлено на повышение надежности конструкции и расширение технологических возможностей лазерной головки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки стальных деталей, содержащих поверхностное покрытие на основе алюминия. Осуществляют сварку с помощью электрической дуги и лазерного луча, сочетающихся друг с другом в единой сварочной ванне, в которую расплавленный металл вносят в результате плавления расходуемой проволоки, сварку ведут с защитным газом. Расходуемая проволока содержит 3-20 мас.% одного или более образующих гамма-фазу элементов. Эти элементы выбраны из C, Mn, Ni и N, а защитный газ образован из гелия и/или аргона с добавлением менее 10 об.% азота или кислорода. Изобретение особенно приспособлено для сварки составных заготовок («tailored blanks»), использующихся в области автомобилестроения, или для сварки труб. 13 з.п. ф-лы, 1 пр.
Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки, осуществляемому с помощью электрической дуги и лазерного луча, сочетающихся друг с другом в единой сварочной ванне, в которую расплавленный металл подается посредством плавления расходуемой проволоки. Сварочную ванну получают на по меньшей мере одной стальной детали, содержащей поверхностное покрытие на основе алюминия. Процесс ведут с защитным газом. Защитный газ образован по меньшей мере одним основным компонентом, выбранным среди аргона и гелия, и по меньшей мере одним дополнительным компонентом, выбранным среди азота и кислорода. Защитный газ содержит от 1% до 20% по объему упомянутого одного дополнительного компонента. 10 з.п. ф-лы, 1 пр.
Наверх