PL239267B1

PL239267B1 - Method of welding gas rail tank cars

Info

Publication number: PL239267B1
Application number: PL430199A
Authority: PL
Inventors: Janusz Adamiec
Original assignee: Zakl Aparatury Chemicznej Chemet Spolka Akcyjna
Priority date: 2019-06-10
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2021-11-22
Also published as: PL430199A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób spawania zbiorników na gaz cystern kolejowych, które są montowane na wagonach kolejowych.The subject of the invention is a method of welding gas tanks for rail tank cars that are mounted on rail cars.

Obecnie zbiorniki na gaz montowane na podwoziach wagonów kolejowych są najczęściej wykonywane w technologii spawania łukiem krytym lub poprzez spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazów aktywnych lub obojętnych (MAG/MIG).Currently, gas tanks mounted on the chassis of railway carriages are most often made in the technique of submerged arc welding or by welding with a consumable electrode in an active or inert gas shield (MAG / MIG).

Do spawania łukiem krytym stosuje się specjalistyczne wysięgniki i stanowiska wielogłowicowe. Złącza są przygotowywane na „X” z progiem spawalniczym ok. 2-3 mm, co bardzo powiększa objętość spoiny. Spawanie jest prowadzone pod topnikiem jako spawanie wielowarstwowe (osiem i więcej warstw) z prędkościami spawania dochodzącymi do 0,6 m/min. Przed spawaniem materiał jest podgrzewany palnikami gazowymi, w celu uniknięcia zbyt dużych prędkości chłodzenia i związanego z tym powstawania struktur martenzytycznych, które znacząco obniżają udarność połączenia. Tego typu technologia jest praco- i czasochłonna oraz energochłonna.For submerged arc welding, specialized booms and multi-head stations are used. The joints are prepared on "X" with a welding threshold of approx. 2-3 mm, which greatly increases the volume of the weld. Welding is carried out under the flux as multi-layer welding (eight or more layers) with welding speeds up to 0.6 m / min. Before welding, the material is heated with gas burners in order to avoid too high cooling rates and the related formation of martensitic structures that significantly reduce the impact toughness of the joint. This type of technology is labor-intensive, time-consuming and energy-consuming.

Z opisu patentowego JP2001334377 jest znany sposób spawania doczołowego z użyciem wiązki lasera, dzięki której czas pracy zostanie skrócony przy zachowaniu wysokiej jakości spawania doczołowego, w którym używane są wiązka lasera i łuk. Zgodnie z ujawnionym rozwiązaniem szczelina (otwór) rozciętej części od strony energii liniowej jest odpowiednio większa od szczeliny po stronie przeciwnej, a w przekroju poprzecznym tworzy się kształt podobny do Y, gdy blacha jest rozcięta z użyciem gazu lub podobnie. Powierzchnie czołowe i od strony energii liniowej przylegają do siebie na styk, jeśli elementy, które mają być spawane są wycięte przy użyciu gazu lub podobnie, a brzegi przylegających do siebie elementów tworzą szczelinę w kształcie Y. Powierzchnia brzegowa, gdzie szczelina między elementami, które mają zostać złączone jest większa, zostaje napromieniowana wiązką lasera i łukiem i wykonywane jest spawanie doczołowe z użyciem łącznie wiązki promieni lasera i łuku, gdzie plazma indukowana wiązką lasera wprowadza plazmę łukową w dolną część rowka, plazma jest wytwarzana w dolnej warstwie i realizowany jest głęboki przetop.From the patent description JP2001334377 there is known a method of butt welding with the use of a laser beam, thanks to which the working time will be reduced while maintaining high quality of butt welding in which a laser beam and an arc are used. According to the disclosed embodiment, the gap (opening) of the line energy side cut portion is correspondingly larger than the opposite side gap, and a Y-like shape is formed in the cross section when the sheet is gas split or the like. The faces and the linear energy side are abutting if the elements to be welded are cut with gas or the like, and the edges of the adjacent elements form a Y-shaped gap. The peripheral surface, where the gap between the elements to be welded is to be joined is larger, it is irradiated with a laser beam and an arc, and butt welding is performed using a combination of a laser beam and an arc, where the plasma induced by the laser beam introduces the arc plasma into the lower part of the groove, the plasma is produced in the lower layer and a deep fusion is performed.

Z innego opisu patentowego JP 2007260715 jest znany sposób produkcji spawanej rury stalowej o wysokiej wytrzymałości, która posiada wytrzymałość na rozciąganie > 800 MPa oraz charakteryzuje się doskonałą odpornością na propagację pęknięć i jest odpowiednia, jako taka do transportu gazu ziemnego i ropy naftowej. W tym celu blachę stalową o wytrzymałości na rozciąganie > 800 MPa, charakteryzującą się doskonałą odpornością na propagację pęknięć, poddaje się zgięciu na zimno tak, aby uformować ją w kształt rury, a następnie jej stykające się części łączy się poprzez spawanie w procesie spawania hybrydowego, który jest kombinacją spawania laserowego w osłonie gazów z użyciem CO2 oraz spawania łukowego w osłonie gazów z użyciem Ar-CO2.Another JP 2007260715 patent discloses a method of producing a high-strength welded steel pipe which has a tensile strength of> 800 MPa and has an excellent resistance to crack propagation and is suitable as such for the transport of natural gas and crude oil. For this purpose, a steel sheet with a tensile strength> 800 MPa, characterized by excellent resistance to crack propagation, is bent in the cold so as to form it into the shape of a pipe, and then its contacting parts are joined by welding in the hybrid welding process, which is a combination of CO2 gas laser welding and Ar-CO2 gas arc welding.

Zgodny z wynalazkiem sposób spawania polega na tym, że płaszcze zbiorników na gaz cystern kolejowych oraz ich dennice są spawane za pomocą wiązki laserowej lasera dużej mocy oraz spawania łukiem krytym. Wiązką laserową wysokoenergetycznego lasera (np. fiber Laser) spawa się w osłonie gazów obojętnych np. argon, a następnie spoina jest przetapiania łukiem krytym, co prowadzi do wypełnienia rowka spawalniczego, a przede wszystkim obróbki cieplnej spoiny laserowej. Spawanie prowadzi się jednostronnie lub dwustronnie z ukosowaniem na „X” lub „Y” z progiem spawalniczym od 6 mm do 8 mm i z prędkością powyżej 1 m/min. Przed spawaniem łączone elementy podgrzewa się wstępnie w temperaturze od 100-200°C, następnie spawa się wiązką laserową o mocy do 10 kW. Kolejnym etapem procesu jest wypełnienie rowka spawalniczego metodą spawania łukiem krytym, co zapewnia przetopienie i obróbkę cieplną złącza w wyniku oddziaływania cyklu cieplnego spawania łukiem krytym, co skutkuje zmniejszeniem szybkości chłodzenia materiału i skłonności materiału do powstawania struktur hartowniczych. Pomiędzy wiązką laserową a łukiem elektrycznym metody spawania łukiem krytym powinna być zachowana odległość nie mniejsza niż 10 cm.The method of welding according to the invention consists in that the shells of the gas tanks of railway tanks and their bottoms are welded by means of a high-power laser beam and submerged arc welding. A laser beam of a high-energy laser (e.g. fiber laser) is welded in an inert gas shield, e.g. argon, and then the weld is submerged arc remelting, which leads to filling the welding groove and, above all, heat treatment of the laser weld. Welding is carried out on one or both sides with a bevel on "X" or "Y" with a welding threshold from 6 mm to 8 mm and with a speed above 1 m / min. Before welding, the joined elements are preheated at a temperature of 100-200 ° C, then they are welded with a laser beam with a power of up to 10 kW. The next stage of the process is filling the welding groove with the submerged arc welding method, which ensures fusion and heat treatment of the joint as a result of the thermal cycle of submerged arc welding, which reduces the cooling rate of the material and the tendency of the material to form hardening structures. A distance of not less than 10 cm should be kept between the laser beam and the electric arc of the submerged arc welding method.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia wzrost prędkości spawania powyżej 1 m/min i umożliwia uzyskanie wypukłego lica i grani spoiny oraz ogranicza liczbę koniecznych ściegów do wykonania na spoinę z ośmiu do dwóch lub trzech ściegów w zależności od grubości płaszcza zbiornika. Dodatkową zaletą wynalazku jest także rezygnacja z pospawalniczej obróbki cieplnej dla stali stosowanych na zbiorniki na gaz cystern kolejowych. W sposobie według wynalazku spawanie jest jednostronne - nie ma czasów międzyoperacyjnych, wykonanie spoiny jest z pełnym przetopem. Występuje bardzo małe odkształcenie spawalnicze, wąska strefa wypływu ciepła, a także nie ma ograniczenia co do długości łączonych elementów. Istnieje możliwość spawania połączenia przygotowanego na X z progiem o wysokości do 10 mm. Wtedy wiązka laserowa wykonuje przetopienie progu w pierwThe solution according to the invention makes it possible to increase the welding speed above 1 m / min and allows to obtain a convex face and root of the weld and reduces the number of passes to be made per weld from eight to two or three passes depending on the thickness of the tank jacket. An additional advantage of the invention is also the resignation from post-welding heat treatment for steels used for gas tanks of railway tankers. In the method according to the invention, welding is one-sided - there are no intermediate times, the weld is made with full penetration. There is a very small welding deformation, a narrow zone of heat outflow, and there is no limitation as to the length of the joined elements. It is possible to weld a joint prepared on X with a threshold up to 10 mm high. Then the laser beam melts the threshold first

PL 239 267 B1 szym ściegu a łukiem krytym dwustronnie wypełnia się rowek spawalniczy. Wprowadzone do złącza ciepło podczas spawania łukiem krytym zapewnia obróbkę cieplną spoiny laserowej, co powoduje, że twardość złączy nie przekracza 350 HV.The weld groove is filled with the second bead and the submerged arc. The heat introduced to the joint during submerged arc welding ensures heat treatment of the laser weld, which means that the hardness of the joints does not exceed 350 HV.

Wynalazek jest objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie proces spawania zbiorników na gaz cystern kolejowych., fig. 2 ukazuje układ spawania w widoku YZ w celu określenia optymalnego układ u geometrycznego spawania, z obiema głowicami spawającymi (6, 7) w płaszczyźnie YZ usytuowanymi w osi spoiny, fig. 3 przedstawia przygotowanie złącza na Y z progiem 6 mm, natomiast na fig. 4 ukazano przykład wykonanego metodą według wynalazku złącza.The invention is explained in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows schematically the welding process of gas tanks for rail tank cars. Fig. 2 shows the welding system in the YZ view in order to determine the optimal arrangement of the geometric welding, with both welding heads (6, 7) in the YZ plane located along the weld axis, Fig. 3 shows the preparation of a Y-joint with a 6 mm threshold, while Fig. 4 shows an example of a joint made according to the invention.

Jak pokazano na fig. 1 rysunku, na którym jako 1 oznaczono materiał spawany, jako 2 oznaczono spoinę wykonaną metodą wiązką lasera 7, jako 3 spoinę wykonaną łukiem krytym oraz jako 4 strefę wpływu ciepła wynikającą z odziaływania łuku elektrycznego, przy spawaniu łukiem krytym i jako 5 oznaczono strefę wpływu ciepła powstającą podczas spawania laserowego, proces spawania polega na łączeniu płaszcza zbiornika 1 za pomocą złącza jednostronnego, które jest ukosowane na „Y” z progiem spawalniczym o wysokości 8 mm. Następnie po złożeniu materiału na styk łączy się tak złożony materiał laserem 2 z prędkością 1 m/min, przy tym powstająca strefa wpływu ciepła 5 jest wąska i nie przekracza wielkości 1 mm. W kolejnym etapie wypełnia się pozostały rowek spawalniczy łukiem krytym 6, z prędkością do 1 mm/min. Powstająca spoina 3 i szeroka strefa wpływu ciepła 4 obrabia cieplnie całe złącze laserowe 2 i 5, co skutkuje obniżeniem twardości złącza i obniżeniem skłonności materiału do powstawania niekorzystnych struktur hartowniczych.As shown in Fig. 1 of the figure, where 1 is the welded material, 2 is the laser beam weld 7, the 3 is the submerged arc weld and the 4th heat-affected zone resulting from the action of the electric arc, in the case of submerged arc welding and as 5, the heat-affected zone created during laser welding is marked, the welding process consists in joining the shell of the tank 1 by means of a one-sided joint, which is bevelled at "Y" with a welding shoulder 8 mm high. Then, after the material has been brought into contact, the complex material is joined with a laser 2 at a speed of 1 m / min, the resulting heat-affected zone 5 being narrow and not exceeding the size of 1 mm. In the next step, the remaining welding groove is filled with the submerged arc 6, at a speed of up to 1 mm / min. The resulting weld 3 and the wide heat affected zone 4 heat treats the entire laser joint 2 and 5, which results in a reduction in the hardness of the joint and a reduction in the material tendency to develop unfavorable quenching structures.

Złącze płaszcza zbiornika na gaz z blach ze stali P460NL2 o grubości 13,5 mm zostało przygotowane na Y z progiem 6 mm, co pokazano na fig. 3 rysunku. Spoina została wykonana z prędkością 1 m/min. W pierwszym etapie prowadzono spawanie laserowe w osłonie gazu Ar laserem dyskowym o mocy 12 kW. Moc wiązki wynosiła 4 kW. W drugim etapie wykonano spoinę wypełniającą rowek metodą spawania łukiem krytym, stosując energię liniową łuku 1,50 kJ/mm. Przed spawaniem materiał nie był podgrzewany wstępnie. Strefa wpływu ciepła podczas spawania łukiem krytym obrobiła cieplne złącze wykonane hybrydowo. Twardość złącza nie przekraczała 295 HV10. Przykład wykonanego złącza jest pokazany na fig. 4 rysunku.A 13.5 mm thick P460NL2 steel sheet gas tank shell joint was prepared on a Y with a 6 mm threshold, as shown in Fig. 3 of the drawing. The joint was made at a speed of 1 m / min. In the first stage, laser welding was carried out in the Ar gas shield with a disc laser with a power of 12 kW. The beam power was 4 kW. In the second stage, a weld filling the groove was made using the submerged arc welding method, using the linear energy of the arc 1.50 kJ / mm. The material was not preheated before welding. The heat affected zone during submerged arc welding treated the thermal hybrid joint. The hardness of the joint did not exceed 295 HV10. An example of the joint made is shown in Fig. 4 of the drawing.

Claims

1. The method of welding gas tanks for rail tank cars, in which the sheet metal is cold bent so as to form it into the shape of a pipe, and then its contacting parts are joined in a hybrid welding process, characterized in that the joints (1) of the tank shell for gas, railway tankers are connected by a laser beam (7) at a speed above 1 m / min, and then the welding groove is filled with the submerged arc welding method (6), while the laser welding process is carried out in inert gases by welding the joint prepared for Y or X with a welding sill greater than 2 mm, but welding is carried out on one or both sides, while electric arc welding with the submerged arc method is performed at least 30 mm behind the pool of liquid metal welded by the laser, directing the laser beam (7) at an angle of y - 1 -5 ° in the XZ plane, and leaving the weld axis of all heads in the YZ plane, which results in no need for post-welding heat treatment made of links.