RU2341361C2 - Method of laser-light welding of steel - Google Patents
Method of laser-light welding of steel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2341361C2 RU2341361C2 RU2006146822/02A RU2006146822A RU2341361C2 RU 2341361 C2 RU2341361 C2 RU 2341361C2 RU 2006146822/02 A RU2006146822/02 A RU 2006146822/02A RU 2006146822 A RU2006146822 A RU 2006146822A RU 2341361 C2 RU2341361 C2 RU 2341361C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- welding
- polychromatic
- steel
- zone
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а именно - к гибридной сварке стали методом одновременного воздействия на материал в локальной зоне обработки когерентным и полихроматическим излучением.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely, to hybrid welding of steel by the method of simultaneous exposure of a material in a local processing zone with coherent and polychromatic radiation.
Основными достоинствами светолучевых методов обработки являются:The main advantages of light-beam processing methods are:
- отсутствие механического воздействия на обрабатываемую деталь;- lack of mechanical impact on the workpiece;
- возможность плавного программного регулирования и поддержания температуры в зоне обработки;- the possibility of smooth program regulation and maintaining the temperature in the processing zone;
- снижение газонасыщения металла шва за счет незначительной ионизации газов в зоне обработки;- reduction of gas saturation of the weld metal due to slight ionization of gases in the treatment zone;
- отсутствие электрических и магнитных полей в зоне обработки;- lack of electric and magnetic fields in the processing zone;
- низкая себестоимость погонного метра шва по сравнению с лазерной сваркой;- low cost per meter of the weld compared to laser welding;
- высокая экологическая чистота технологического процесса по сравнению с традиционными сварочными процессами;- high environmental cleanliness of the process compared to traditional welding processes;
- простота в работе и обслуживании;- simplicity in work and service;
- высокая безопасность технологии.- high technology security.
Следует отметить, что закалка с нагревом сфокусированным светом лампами высокой мощности позволяет проводить обработку локальных участков поверхности (диаметром от 10 до 30 мм или полос такой ширины и длиной до 1 м) со скоростью от 2 до 100 К/с на воздухе, в вакууме или защитной атмосфере. Процесс нагрева практически не ограничен по температуре, позволяя достигать и даже превышать точки плавления сплавов на основе железа. С помощью такого нагрева можно выборочно упрочнять наиболее изнашиваемые участки детали, оставляя основной объем изделия в вязком состоянии, что особенно важно для инструмента из быстрорежущей стали. Нагрев с указанными не слишком высокими скоростями, в отличие от лазерного, позволяет прогревать достаточно глубокие слои и, кроме этого, дает возможность частично релаксировать термическим напряжениям, что снижает вероятность образования трещин.It should be noted that quenching with high-power focused heating by high-power lamps allows the processing of local surface areas (with a diameter of 10 to 30 mm or strips of such width and length up to 1 m) at a speed of 2 to 100 K / s in air, in vacuum or protective atmosphere. The heating process is practically unlimited in temperature, making it possible to reach and even exceed the melting points of iron-based alloys. Using this heating, it is possible to selectively harden the most worn parts of the part, leaving the bulk of the product in a viscous state, which is especially important for tools made of high speed steel. Heating with the indicated not too high speeds, in contrast to the laser, allows heating of sufficiently deep layers and, in addition, makes it possible to partially relax thermal stresses, which reduces the likelihood of cracking.
Известен способ лазерно-световой термической обработки стали, заключающийся в том, что в локальной зоне обработки материала одновременно воздействуют импульсным когерентным и полихроматическим излучением, при этом обрабатываемую зону материала помещают в фокусную точку источника полихроматического излучателя, а луч источника когерентного излучения коллимируют, затем фокусируют и после этого направляют в указанную зону обработки (патент РФ №2121004, МПК C21D 1/09, 1996.10.27. «Способ лазерно-термической обработки углеродистых сталей»).A known method of laser-light heat treatment of steel, which consists in the fact that in the local processing zone of the material simultaneously acted by pulsed coherent and polychromatic radiation, while the treated zone of the material is placed at the focal point of the source of the polychromatic emitter, and the beam of the source of coherent radiation is collimated, then focused and then sent to the specified processing zone (RF patent No. 2121004, IPC C21D 1/09, 1996.10.27. "Method for laser-thermal treatment of carbon steels").
К недостаткам данного способа следует отнести невозможность повысить качество сварных соединений путем исключения трещинообразования в изделиях из углеродистых сталей, предотвращения разупрочнение поверхностного слоя металла и обеспечения необходимой твердости стали. Кроме того, в процессе сварки способом, приведенным в прототипе, осуществляется печное прогревание всего изделия до рабочей температуры, что требует больших энергозатрат.The disadvantages of this method include the inability to improve the quality of welded joints by eliminating crack formation in carbon steel products, preventing softening of the surface layer of the metal and providing the necessary hardness of the steel. In addition, in the welding process by the method described in the prototype, furnace heating of the entire product to an operating temperature is carried out, which requires large energy costs.
В качестве прототипа выбран реализованный в «Устройстве для светолучевой обработки материалов» способ лазерно-световой сварки стали, заключающийся в том, что в локальной зоне обработки материала одновременно воздействуют импульсным когерентным и полихроматическим излучением, при этом обрабатываемую зону материала помещают в фокусную точку источника полихроматического излучателя, а луч источника когерентного излучения коллимируют, затем фокусируют и после этого направляют в указанную зону обработки (патент РФ №2185943, МКП В23К 28/02, 2000.12.08).As a prototype, the method of laser-light welding of steel implemented in the “Device for light-beam processing of materials” was selected, which consists in the fact that in the local processing zone of the material they are simultaneously exposed to pulsed coherent and polychromatic radiation, while the treated zone of the material is placed at the focal point of the source of a polychromatic emitter , and the beam of the coherent radiation source is collimated, then focused and then sent to the specified processing zone (RF patent No. 2185943, MKP V23K 28/02, 2000.12 .08).
К недостаткам прототипа следует отнести невозможность повысить качество сварных соединений путем исключения трещинообразования в изделиях из углеродистых сталей, предотвращения разупрочнение поверхностного слоя металла и обеспечения необходимой твердости стали.The disadvantages of the prototype include the inability to improve the quality of welded joints by eliminating crack formation in products made of carbon steel, preventing softening of the surface layer of the metal and ensuring the necessary hardness of the steel.
Анализ достоинств и недостатков термического воздействия когерентным и полихроматическим излучением позволяет отметить «ассиметричность» достоинств и недостатков обоих способов, что предопределило целесообразность объединения этих способов для использования их преимуществ при одновременной нейтрализации недостатков. Интегральный подход позволяет существенно нивелировать недостатки каждого из указанных источников лучистой энергии (сложность конструкции и дороговизна когерентных источников энергии и невозможность достижения высоких плотностей энергии дешевыми полихроматическими источниками) и реализовать их преимущества при совмещенной обработке материалов.An analysis of the advantages and disadvantages of the thermal effect by coherent and polychromatic radiation allows us to note the “asymmetry” of the advantages and disadvantages of both methods, which predetermined the feasibility of combining these methods to use their advantages while neutralizing the disadvantages. The integrated approach makes it possible to substantially level out the shortcomings of each of these sources of radiant energy (the complexity of the design and the high cost of coherent energy sources and the inability to achieve high energy densities with cheap polychromatic sources) and realize their advantages in combined processing of materials.
Задачей изобретения является повышение качества сварного соединения и снижение энергозатрат путем локального прогрева рабочей зоны до оптимальных температур посредством эффективного сочетания лазерного и светового облучения изделия.The objective of the invention is to improve the quality of the welded joint and reduce energy consumption by local heating of the working area to optimal temperatures through an effective combination of laser and light irradiation of the product.
Поставленная задача решается в данном техническом решении за счет следующих общих и частных существенных признаков:The problem is solved in this technical solution due to the following general and private essential features:
в способе лазерно-световой сварки стали, характеризующимся тем, что в локальной зоне обработки материала одновременно воздействуют импульсным когерентным и полихроматическим излучением, при этом обрабатываемую зону материала помещают в фокусную точку источника полихроматического излучателя, а луч источника когерентного излучения коллимируют, затем фокусируют и после этого направляют в указанную зону обработки, предусмотрены следующие отличия - в процессе лазерно-световой обработки стали во время пауз между сварочными импульсами производят дополнительный подогрев зоны отпуска сварного соединения за счет сканирования лазерным лучом вдоль направления его движения.in the method of laser-light welding of steel, characterized in that in the local processing zone of the material they are simultaneously exposed to pulsed coherent and polychromatic radiation, while the treated zone of the material is placed at the focal point of the polychromatic emitter source, and the beam of the coherent radiation source is collimated, then focused and then sent to the specified processing zone, the following differences are provided - in the process of laser-light processing of steel during pauses between welding pulses produce additional heating of the weld tempering zone due to scanning with a laser beam along the direction of its movement.
Интегральный подход позволяет существенно нивелировать недостатки каждого из указанных источников лучистой энергии и одновременно реализовать их преимущества при совмещенной обработке материалов. Это может достигаться благодаря разделению функций каждого из источников лучистой энергии. Задача светового полихроматического источника энергии - обеспечить предварительный нагрев в локальной зоне термовоздействия, а задача когерентного источника - обеспечить заданную температуру в фокусной точке при лазерно-световой сварке, наплавке или термоупрочнении обрабатываемого материала и обеспечить дополнительный подогрев сварного соединения во время пауз между импульсами.The integrated approach makes it possible to substantially mitigate the shortcomings of each of these sources of radiant energy and at the same time realize their advantages in combined processing of materials. This can be achieved by dividing the functions of each of the sources of radiant energy. The task of a light polychromatic energy source is to provide preliminary heating in the local zone of thermal action, and the task of a coherent source is to provide a given temperature at the focal point during laser-light welding, surfacing or heat strengthening of the processed material and provide additional heating of the welded joint during pauses between pulses.
При гибридной лазерно-световой сварке достигается уменьшение жесткости термического цикла в сравнении с лазерной сваркой. Световой луч может выполнять роль предварительного или сопутствующего подогрева при сварке сталей, склонных к образованию трещин. Изменение физико-химических свойств поверхности материала, которое сопутствует светолучевой обработке, изменяет оптические свойства поверхности и увеличивает коэффициент поглощения лазерного излучения и тем самым повышает эффективность сварки. Величина затрат при этом существенно уменьшается за счет более дешевой «полихроматической» составляющей энергетического потока, которая имеет более высокий КПД, проще и дешевле в изготовлении, эксплуатации и обслуживании.In hybrid laser-light welding, a reduction in the rigidity of the thermal cycle is achieved in comparison with laser welding. The light beam can play the role of preliminary or concurrent heating during welding of steels prone to cracking. The change in the physicochemical properties of the surface of the material that accompanies the light beam treatment changes the optical properties of the surface and increases the absorption coefficient of laser radiation and thereby increases the welding efficiency. The cost in this case is significantly reduced due to the cheaper "polychromatic" component of the energy flow, which has a higher efficiency, is easier and cheaper to manufacture, operate and maintain.
Предложенный способ иллюстрируется чертежами, где: на фиг.1 показан процесс лазерно-световой сварки предложенным способом; на фиг.2 - схема использования выходного окна, изготовленного из сапфира.The proposed method is illustrated by drawings, where: in Fig.1 shows the process of laser-light welding of the proposed method; figure 2 is a diagram of the use of an output window made of sapphire.
На представленных чертежах показаны: когерентный источник излучения (лазер) 1, полихроматический источник излучения 2, свариваемый материал 3, температурная подложка 4, сварной шов 5. На устройстве использовано защитное стекло 6, предохраняющее выходное окно 7, которое изготовлено из сапфира. Это позволяет повысить мощность излучения по сравнению с используемым в прототипе выходным окном с кварцевым стеклом.The drawings show: a coherent radiation source (laser) 1, a
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники, известным из научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках, не выявило средство, которому присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения, включая характеристику назначения. Т.е. совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна и не тождественна каким-либо известным техническим решениям, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".Comparison of the claimed technical solution with the prior art known from the scientific, technical and patent documentation as of the priority date in the main and related sections did not reveal a tool that has features that are identical to all the features contained in the claims proposed by the applicant, including the purpose of the application. Those. the set of essential features of the claimed solution was not previously known and is not identical to any known technical solutions, therefore, it meets the condition of patentability "novelty".
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения, и не подтверждена известность влияния отличительных признаков на указанный в материалах заявки технический результат. Т.е. заявленное решение имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности существенных признаков дает возможность получить новый технический результат. Следовательно, предложенное техническое решение может бы получено только путем творческого подхода и неочевидно для среднего специалиста в этой области, т.е. имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.Analysis of the known technical solutions in the art showed that the proposed device does not follow explicitly from the prior art for the specialist, since solutions having features matching the distinguishing features of the invention have not been identified and the influence of the distinctive features on the technical indicated in the application materials has not been confirmed. result. Those. the claimed solution has features that are not in the known technical solutions, and their use in the claimed combination of essential features makes it possible to obtain a new technical result. Therefore, the proposed technical solution could be obtained only through a creative approach and is not obvious to the average specialist in this field, i.e. has an inventive step in comparison with the existing level of technology.
Заявленное техническое решение промышленно применимо, поскольку: в материалах заявки указано его назначение, оно может быть изготовлено промышленным способом в машиностроении и использовано других областях народного хозяйства, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, а отличительные признаки устройство позволяют получить заданный технический результат.The claimed technical solution is industrially applicable, because: in the application materials its purpose is indicated, it can be manufactured industrially in mechanical engineering and used in other areas of the national economy, workable, feasible and reproducible, and the distinguishing features of the device allow to obtain the desired technical result.
Заявленное изобретение в том виде, как оно охарактеризовано в каждом из пунктов формулы, может быть осуществлено с помощью средств и методов, описанных в указанных ниже источниках, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения. Так, например, возможность осуществления заявляемого изобретения следует из результатов, полученных авторами при печном подогреве с последующей лазерной обработкой. В изобретении «Способ лазерно-термической обработки углеродистых сталей» по патенту РФ №2121004 (более раннего приоритета - 1996.10.27) в соответствии с результатами проведенных триботехнических испытаний на машинах трения СМТ-1 с СМТ-2 получены зависимости глубины канавки износа от времени испытаний для штамповых сталей после лазерной обработки по различным вариантам. Указанный способ осуществляется путем предварительного объемного нагрева стали в печи и последующего нагрева поверхностного слоя лазерным излучением до температуры аустенитного состояния, в котором предварительный объемный нагрев стали производят до температуры в интервале 75-90°С.The claimed invention, in the form as described in each of the claims, can be carried out using the means and methods described in the following sources, which became public until the priority date of the invention. So, for example, the possibility of carrying out the claimed invention follows from the results obtained by the authors during furnace heating with subsequent laser processing. In the invention "Method for laser-thermal treatment of carbon steels" according to the patent of the Russian Federation No. 21121004 (earlier priority - 1996.10.27) in accordance with the results of tribological tests on friction machines SMT-1 with SMT-2, the dependences of the depth of the wear groove on the test time are obtained for die steels after laser processing according to various options. The specified method is carried out by preliminary volumetric heating of steel in a furnace and subsequent heating of the surface layer by laser radiation to the temperature of the austenitic state, in which preliminary volumetric heating of steel is carried out to a temperature in the range of 75-90 ° C.
Технический результат при использовании предложенного способа заключается в предотвращении образования трещин за счет устранения разупрочнения поверхностного слоя металла в зоне лазерного воздействия при одновременном обеспечении задаваемого уровня твердости углеродистых сталей путем локального подогрева зоны обработки.The technical result when using the proposed method is to prevent the formation of cracks by eliminating the softening of the surface layer of the metal in the zone of laser exposure while providing a specified level of hardness of carbon steels by local heating of the treatment zone.
Экспериментально авторами предлагаемого способа лазерно-световой сварки стали подтверждено, что предлагаемый способ позволяет за счет предварительного и сопутствующего локального поверхностного нагрева световым лучом стыка сварного соединения изделия и последующего поверхностного дополнительного нагрева стыка сварного соединения сканирующим лазерным лучом во время пауз между сварочными импульсами до температуры в интервале 115-300°С повысить сопротивляемость сварных соединений высокопрочных тонколистовых углеродистых сталей образованию трещин при последующей штамповке.Experimentally, the authors of the proposed method of laser-light welding of steel confirmed that the proposed method allows due to preliminary and concomitant local surface heating by the light beam of the joint of the welded joint of the product and subsequent surface additional heating of the joint of the welded joint by the scanning laser beam during pauses between welding pulses to a temperature in the range 115-300 ° С to increase the resistance of welded joints of high-strength thin-sheet carbon steel azovaniyu cracks during the subsequent forging.
Пример осуществления способа показан ниже в таблице 1.An example implementation of the method is shown below in table 1.
Как видно из таблицы 1, глубина вытяжки при штамповке сварных соединений высокопрочных тонколистовых углеродистых сталей повысилась от значений 3,9 мм после лазерной сварки для стали 30ХГСА толщиной 0,5 мм до значений 5,3 мм, пластичность - от 47% до 63%.As can be seen from table 1, the drawing depth during stamping of welded joints of high-strength thin-sheet carbon steels increased from 3.9 mm after laser welding for 30KhGSA steel 0.5 mm thick to 5.3 mm, ductility - from 47% to 63%.
Следовательно, только в указанном диапазоне температур 115-300°С достигается заявленный технический результат. При меньших температурах глубина вытяжки снижается до 3,9 мм, что приводит к трещинообразованию, а при больших температурах резко снижается прочность сварного шва.Therefore, only in the indicated temperature range 115-300 ° C, the claimed technical result is achieved. At lower temperatures, the drawing depth decreases to 3.9 mm, which leads to cracking, and at high temperatures, the strength of the weld decreases sharply.
В качестве источника полихроматического излучения, как правило, используется дуговой разряд между катодом и анодом, излучение которого с помощью специальных рефлекторов фокусируется в рабочую точку на изделии, за счет чего и достигается необходимая температура для пайки или сварки.As a source of polychromatic radiation, as a rule, an arc discharge is used between the cathode and the anode, the radiation of which is focused using special reflectors to a working point on the product, due to which the required temperature for soldering or welding is achieved.
Как показано, можно производить сварку низколегированных высокопрочных тонколистовых закаливающихся сталей по программируемому термическому циклу без образования трещин в сварных соединениях при последующей штамповке.As shown, it is possible to weld low-alloy high-strength thin-sheet hardened steels according to a programmed thermal cycle without the formation of cracks in welded joints during subsequent stamping.
Реализация способа осуществляется следующим образом.The implementation of the method is as follows.
В локальной зоне обработки материала одновременно воздействуют импульсным когерентным и полихроматическим излучением, при этом обрабатываемую зону материала помещают в фокусную точку источника полихроматического излучателя, а луч источника когерентного излучения коллимируют, затем фокусируют и после этого направляют в указанную зону обработки. В процессе лазерно-световой сварки стали во время пауз между сварочными импульсами лазера производят дополнительный подогрев зоны отпуска сварного соединения этим же лазером при постоянном подогреве полихроматическим источником излучения.In the local processing zone of the material, they are simultaneously exposed to pulsed coherent and polychromatic radiation, while the treated zone of the material is placed at the focal point of the source of the polychromatic emitter, and the beam of the source of coherent radiation is collimated, then focused and then directed to the specified processing zone. In the process of laser-light welding of steel during pauses between laser welding pulses, an additional heating of the weld tempering zone with the same laser is performed with constant heating by a polychromatic radiation source.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006146822/02A RU2341361C2 (en) | 2007-02-14 | 2007-02-14 | Method of laser-light welding of steel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006146822/02A RU2341361C2 (en) | 2007-02-14 | 2007-02-14 | Method of laser-light welding of steel |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006146822A RU2006146822A (en) | 2008-08-20 |
| RU2341361C2 true RU2341361C2 (en) | 2008-12-20 |
Family
ID=39747372
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006146822/02A RU2341361C2 (en) | 2007-02-14 | 2007-02-14 | Method of laser-light welding of steel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2341361C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2504463C2 (en) * | 2012-04-26 | 2014-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of friction beam welding |
-
2007
- 2007-02-14 RU RU2006146822/02A patent/RU2341361C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2504463C2 (en) * | 2012-04-26 | 2014-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of friction beam welding |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006146822A (en) | 2008-08-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Leunda et al. | Laser cladding of vanadium-carbide tool steels for die repair | |
| CN111107960A (en) | Method for joining two blanks, and blank and product obtained | |
| Abrorov et al. | Method of thermal treatment of saw disk teeth of fiber-processing machines by laser quenching | |
| Muthukumaran et al. | Laser transformation hardening of various steel grades using different laser types | |
| CN101368226B (en) | Tooth ring tooth surface laser induration processing method | |
| Szataniak et al. | HSLA steels-comparison of cutting techniques | |
| RU2323265C1 (en) | Method for laser-light thermal treatment of metallic materials at controlled heating | |
| Shin et al. | Laser surface hardening of S45C medium carbon steel using ND: YAG laser with a continuous wave | |
| RU2341361C2 (en) | Method of laser-light welding of steel | |
| Windmann et al. | Removal of oxides and brittle coating constituents at the surface of coated hot-forming 22MnB5 steel for a laser welding process with aluminum alloys | |
| Seo et al. | A study of laser cleaning to remove by-products occurring after arc welding | |
| WO2008031210A1 (en) | Method for manufacturing a welded assembly | |
| Jong-Do et al. | Laser transformation hardening on rod-shaped carbon steel by Gaussian beam | |
| RU2313581C2 (en) | Manual plasma quenching method | |
| Karamimoghadam et al. | A comparative investigation of different overlaps of the diode laser hardening in low-carbon steel and stainless steel | |
| RU2685297C2 (en) | Method of processing edges with multichannel laser | |
| RU2653738C1 (en) | Method of metal sheet laser thermal processing | |
| Tokarev et al. | Laser-plasma treatment of structural steel | |
| JP5682534B2 (en) | Metal nitride member and manufacturing method thereof | |
| CN114085957A (en) | Robot follow-up laser quenching method | |
| CN103255267B (en) | Method and equipment for laser quenching | |
| Klimpel et al. | The influence of the shielding gas on the properties of a laser-melted surface of austenitic stainless steel | |
| RU2640516C1 (en) | Method of hollow metal blank laser hardening | |
| RU2684176C2 (en) | Method of laser hardening of parts surface | |
| RU2323264C1 (en) | Method for laser-light thermal treatment of metallic materials at controlled cooling |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090215 |