Способ лазерной сварки соединения труба - трубная доска


 

B23K101/14 - Пайка или распаивание; сварка; плакирование или нанесение покрытий пайкой или сваркой; резка путем местного нагрева, например газопламенная резка; обработка металла лазерным лучом (изготовление изделий с металлическими покрытиями экструдированием металла B21C 23/22; нанесение облицовки или покрытий литьем B22D 19/08; литье погружением B22D 23/04; изготовление составных слоистых материалов путем спекания металлического порошка B22F 7/00; устройства для копирования и регулирования на металлообрабатывающих станках B23Q; покрытие металлов или материалов металлами, не отнесенными к другим классам C23C; горелки F23D)

Владельцы патента RU 2593883:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)

Изобретение относится к способу лазерной сварки соединений труба - трубная доска. Предварительно перед сваркой осуществляют сборку соединений труба - трубная доска с зазором меньше 0,2 мм. Предварительно устанавливают фокальную плоскость лазерного луча относительно свариваемой поверхности трубной доски на расстоянии -5…+5 мм. Сварку осуществляют в два этапа. На первом этапе смещают лазерный луч от стыка в направлении трубной доски и осуществляют проплавление. На втором этапе лазерный луч наводят на стык и осуществляют сварку. В область сварки подают инертный защитный газ в количестве 10-15 л/мин. Высота выступа торца трубы относительно свариваемой поверхности трубной доски не больше 1 мм. Проплавление могут выполнять с мощностью лазерного луча ≥1 кВт при скорости сварки ≥25 мм/сек. Технический результат заключается в высоком качестве сварного соединения. 2 з.п. ф-лы, 1табл.

 

Изобретение относится к области сварки кольцевых стыков труб с трубными досками из титановых сплавов и может быть применено в атомной энергетике, машиностроении, газонефтедобывающей промышленности и т.д.

Известен способ крепления труб в трубных досках теплообменных аппаратов [А.С. №382912]. В данном способе воздействие на среду осуществляют с помощью лазерного луча, направляемого через линзу в каждую трубу. Пространство между трубной доской и трубами заполняют консистентным материалом, например машинным маслом. Затем трубы погружают в рабочую среду, а трубную доску помещают над ее уровнем на расстоянии, обеспечивающем заполнение труб по всей высоте под действием сил поверхностного натяжения.

Недостатком способа является подбор консистентного материала, используемого для создания гидродинамического воздействия при изменении размеров трубок, и дополнительные операции по заполнению консистентным материалом пространства между трубной доской и трубами, что снижает производительность способа.

Известен способ закрепления теплообменных трубок в трубной доске теплообменника с помощью лазера, выбранный за прототип [А.С. №1327392]. Для этого отверстия в трубной доске пробивают лучом кольцевой формы, которым осуществляют последующую сварку, трубную доску устанавливают в фокальной плоскости лазера. Торцы труб размещают в фокальной плоскости лазера, фокусирующее устройство и афокальную насадку настраивают на заданные диаметр отверстия и ширину реза, а ширину сварочного луча изменяют путем взаимного перемещения насадки и трубной доски.

Недостатком способа является невысокая эффективность и производительность сварки из-за низкого коэффициента поглощения лазерного луча свариваемым материалом.

Задачей является повышение эффективности и производительности процесса сварки соединения труба - трубная доска при различном сечении труб (круглые, прямоугольные, плоские и т.п.).

Для решения задачи предложен способ лазерной сварки соединения труба - трубная доска. Предварительно перед сваркой осуществляют сборку соединений труба - трубная доска с зазором 0…0,2 мм и устанавливают фокальную плоскость лазерного луча относительно свариваемой поверхности трубной доски на расстоянии -5…+5 мм. Сварку осуществляют в два этапа. На первом этапе смещают лазерный луч от стыка в направлении трубной доски и осуществляют проплавление. На втором этапе лазерный луч наводят на стык и осуществляют сварку. В область сварки подают инертный защитный газ (Ar) в количестве 10…15 л/мин. Высота выступа торца трубы относительно свариваемой поверхности трубной доски может быть в диапазоне 0…1 мм. Проплавление выполняют с мощностью лазерного луча ≥1 кВт при скорости сварки ≥25 мм/сек. Сварку осуществляют с использованием иттербиевого волоконного лазера и гальванометрического сканатора. Иттербиевый волоконный лазер с длиной волны 1,07 мкм обладает высоким качеством лазерного излучения (ВВР до 4,5 мм/мрад), что позволяет фокусировать его в пятно диаметром до 200 мкм и, как следствие, повысить плотность мощности лазерного излучения. Гальванометрический сканатор используют для позиционирования лазерного луча.

Определенное расположение фокальной плоскости лазерного луча обусловлено наибольшей эффективностью поглощения лазерного луча в парогазовом канале сварочной ванны за счет его многократного переотражения. Осуществление лазерной сварки за два этапа позволяет заполнить зазор в соединении труба - трубная доска расплавленным материалом трубной доски на первом этапе, что также позволит повысить коэффициент поглощения лазерного луча свариваемым материалом из-за его нагрева и, как следствие, эффективность и производительность сварки при выполнении второго этапа. Использование гальванометрического сканатора при смещении лазерного луча со стыка в направлении трубной доски на первом этапе, наведении лазерного луча на стык на втором этапе и при перемещении между свариваемыми объектами обеспечивает высокую скорость и точность позиционирования лазерного луча при сварке трубы (различной геометрии в поперечном сечении: круглой, квадратной, треугольной и т.д.) с трубной доской.

Совместное использование иттербиевого волоконного лазера и гальванометрического сканатора позволяет повысить эффективность и производительность процесса сварки

Совокупность отличительных признаков является необходимой и достаточной для решения поставленной задачи.

При расположении фокальной плоскости лазерного луча (Δf) относительно свариваемой поверхности трубной доски на расстоянии -5…5 образуется минимальный диаметр пятна лазерного луча при сварке, при его увеличении снижается плотность мощности и, как следствие, эффективность сварки.

Отклонение лазерного луча (Δl) в сторону трубной доски на расстояние 0,1…1 мм на первом этапе обеспечивает расплавление материала трубной доски и заполнение расплавленным материалом зазора в соединении труба - трубная доска, образованного при сборке. Отклонение лазерного луча на расстояние меньше 0,1 мм не обеспечит заполнение зазора расплавленным материалом трубной доски из-за прохождения значительной доли лазерного луча через зазор без взаимодействия с материалом трубной доски. При отклонении лазерного луча в сторону трубной доски на расстояние больше 1 мм также не обеспечивается заполнение зазора в соединении труба - трубная доска из-за значительного расстояния до стыка.

Использование защитного газа (Ar) с расходом (R) 10…15 л/мин позволяет обеспечить защиту расплава и закристаллизованного металла, нагретого свыше температуры 400°С, от взаимодействия с окружающей средой, обеспечивая требуемые формирование, технологическую и эксплуатационную прочность сварного соединения. Снижение расхода защитного газа менее 10 л/мин приведет к недостаточной защите, снижению качества формирования и механических свойств сварного соединения. Увеличение расхода газа более 15 л/мин нецелесообразно по экономическим соображениям.

Высоту выступа (h) торца трубы относительно свариваемой поверхности трубной доски устанавливают в диапазоне 0…1 мм для получения требуемой глубины проплавления сварного соединения. При высоте выступа торца трубы относительно свариваемой поверхности трубной доски >1 мм часть лазерного луча поглощается поверхностью трубы, в связи, с чем глубина проплавления снижается и не удовлетворяет требованиям. При занижении торца трубы относительно свариваемой поверхности трубной доски (высота выступа <0 мм) не образуется качественного формирования внешнего валика сварного соединения.

Использование мощности лазерного луча (Рл)≥1 кВт и скорости сварки (Vсв)≥25 мм/сек позволяет получить качественное сварное соединение с требуемыми геометрическими характеристиками и механическими свойствами при отсутствии разбрызгивания расплава из сварочной ванны.

Способ лазерной сварки соединений труба - трубная доска осуществляют при воздействии на соединение труба - трубная доска лазерного луча, направленного с помощью гальванометрического сканатора. Соединение труба - трубная доска было собрано предварительно перед сваркой с зазором и высотой выступа торца трубы относительно свариваемой поверхности трубной доски. Перед сваркой фокальную плоскость лазерного луча располагали на свариваемой поверхности трубной доски. Устанавливали мощность лазерного луча и скорость сварки. В область лазерного воздействия на трубу и трубную доску подавали защитный газ (Ar) (Табл. 1).

Сварку осуществляют за два этапа. На первом этапе лазерный луч отклоняют от линии стыка в сторону трубной доски и осуществляют проплавление. На втором этапе лазерный луч наводят на стык и осуществляют сварку. Способ лазерной сварки повторяли при различных значениях параметров.

Все варианты способа лазерной сварки позволили получить сварное соединение труб толщиной стенки 1 мм с трубной доской толщиной 6-12 мм с требуемыми геометрическими и механическими характеристиками.

При лазерной сварке со значениями параметров режима, выпадающих из вышеописанных диапазонов (Рл≤1кВт, Vсв≤25 мм/сек, t>0,2 мм, 0>h>1 мм, -5>Δf>5 мм, 0,1>Δl>1 мм, 10>R>15 л/мин), образуются сварные соединения, не удовлетворяющие требованиям по геометрии и механическим свойствами.

Способ лазерной сварки соединений труба - трубная доска позволяет повысить производительность и эффективность процесса сварки соединения труба - трубная доска при требуемом качестве сварного соединения.

1. Способ лазерной сварки соединений труба - трубная доска, включающий предварительно перед сваркой сборку соединений труба - трубная доска, установку фокальной плоскости лазерного луча относительно свариваемой поверхности трубной доски и сварку лазерным лучом, отличающийся тем, что сборку соединения труба - трубная доска осуществляют с зазором ≤0,2 мм, фокальную плоскость лазерного луча располагают относительно поверхности трубной доски на расстоянии -5…+5 мм, а сварку осуществляют в два этапа, при этом на первом этапе смещают лазерный луч от стыка в направлении трубной доски на 0,1-1 мм, а на втором этапе лазерный луч позиционируют на стыке, причем в область сварки подают инертный защитный газ в количестве 10-15 л/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высоту выступа торца трубы относительно свариваемой поверхности трубной доски устанавливают в диапазоне ≤1 мм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проплавление выполняют с мощностью лазерного луча ≥1 кВт при скорости сварки ≥25 мм/сек.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано при изготовлении трехслойных металлических полых панелей для соединения их с корпусом судна при создании, например, переборок, выгородок, палуб, стенок рубок и надстроек судов.

Изобретение может быть использовано при ремонте изношенных или поврежденных бандажных полок лопаток турбомашин, выполненных из титановых сплавов. С поврежденных участков удаляют покрытие и поверхностный слой металла, например, алмазным шлифованием.

Изобретение относится к способу дуговой сварки под флюсом стальной пластины. Для дуговой сварки под флюсом используют первый электрод диаметром 3,9-4,1 мм и располагают его спереди по направлению сварки.

Изобретение относится к анализу материалов радиационными методами и может быть использовано для разводороживания сварных швов магистральных газопроводов. При изготовлении сварного шва измеряют его температуру и при достижении в одной из точек шва температуры 200-240ºС над ней устанавливают выпускное устройство ускорителя электронов.

Группа изобретений относится к способу и устройству для изготовления малогабаритных атомных ячеек с парами атомов щелочных металлов и может быть использована при изготовлении квантовых приборов различного применения.

Изобретение относится к способу изготовления биметаллических насосно-компрессорных труб и может использоваться при получении трубной продукции или ремонте насосно-компрессорных труб (НКТ).

Изобретение относится к способу сварки роторов для генерации энергии (газовых турбин, паровых турбин, генераторов), которые содержат множество роторных дисков, размещенных вдоль оси ротора.

Изобретение относится к способу многопроходной автоматической аргонодуговой сварки изделий из низколегированной стали перлитного класса толщиной более 30 мм и может быть использовано в энергетическом машиностроении, при изготовлении, монтаже и ремонте ответственных металлических конструкций и трубопроводов.

Изобретение относится к области изготовления ротора турбины газотурбинного двигателя, состоящего из двух и более деталей, изготовленных преимущественно из никелевого жаропрочного сплава с применением электронно-лучевой сварки.

Изобретение относится к способу изготовления оребренных обечаек для топливных баков ракетных двигателей, цистерн для транспортирования и хранения различных сред и пр.

Способ изготовления зубца (18) вил для погрузочно-транспортных устройств с, по существу, горизонтальной в рабочем положении лопастью (5) вил и прилегающей к ней через изгиб вил, по существу, вертикальной спинкой (20) вил, которая снабжена присоединительными элементами (2, 3) для транспортных устройств, причем зубец вил состоит из нескольких соединенных друг с другом частей, заключается в том, что, по крайней мере, некоторое количество частей сваривается друг с другом.

Изобретение относится к способу соединения двух или более деталей посредством холодного стыкового соединения и лазерной сваркой и может применятся в различных отраслях машиностроения.

Изобретение относится к сварке, в частности к сварке концентрированным источником энергии, и может быть использовано при сварке тонколистового материала плазменной дугой или лазерным излучением в различных областях техники.

Изобретение может быть использовано при изготовлении трехслойных металлических полых панелей для соединения их с корпусом судна при создании, например, переборок, выгородок, палуб, стенок рубок и надстроек судов.

Изобретение относится к способам формирования подводного трубопровода при его прокладке. При этом многослойные металлические трубные секции (2a, 2b), например с внутренним покрытием (6) коррозионностойким сплавом и с фасками на концах, стыкуют с концом трубопровода с формированием свариваемого кольцевого соединения (8).

Изобретение может быть использовано при ремонте изношенных или поврежденных бандажных полок лопаток турбомашин, выполненных из титановых сплавов. С поврежденных участков удаляют покрытие и поверхностный слой металла, например, алмазным шлифованием.

Изобретение может быть использовано для соединения секций железнодорожных рельсов стыковой сваркой оплавлением с использованием виброоборудования. Предварительно осуществляют настройку и прикрепление виброоборудования на железнодорожный рельс.
Изобретение может быть использовано при высокотемпературной пайке изделий из алюминия и его сплавов, например плоских термоплат. Сборку деталей под пайку производят через металлическую проставку, имеющую предел прочности, больший или равный пределу прочности материала паяемых деталей.
Изобретение относится к способу диффузионной сварки. Очищают детали из нержавеющей стали и мембраны из фольги палладия или палладиевого сплава электрополировкой.

Изобретение относится к способу сварки роторов для генерации энергии (газовых турбин, паровых турбин, генераторов), которые содержат множество роторных дисков, размещенных вдоль оси ротора.

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано для сварки длинномерных профильных металлоконструкций, например боковых стен грузовых вагонов. Сварка боковых стен осуществляется на опорной поверхности горизонтальной рамы сборочного стенда с закрепленными на ней фиксирующими элементами.
Наверх